核電廠汽輪機葉片司太立合金片缺陷分析研究與改進

岳興華 王學芳

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

某核電廠1、2 號汽輪機型號為HN642-6.41，由X汽輪機廠與原美國西屋電氣公司（以下簡稱“西屋”）聯合設計、合作制造；3、4 號汽輪機型號HN650-6.41，由X 汽輪機廠延續西屋公司設計、X 汽輪機廠制造。

2012 年11 月9 日，某核電廠2 號機組因汽輪機低壓缸轉子次末級葉片斷裂導致緊急停機， 隨后機組轉入小修。 出于對機組安全的考慮，后續大修期間，對汽輪機葉片進行了詳細的檢查。 葉片材料選用17-4PH 沉淀硬化 不 銹 鋼 材 質（0Cr17Ni4Cu4Nb/755）， 在 末 三 級（5 ～7級） 自由葉片葉頂安裝有防水蝕的司太立合金片，司太立合金片與葉片母材采用銀釬料焊接方式。 在檢查過程中， 除葉根部位發現缺陷外， 還發現了司太立合金片部位的缺陷。

說明：葉片故障后歷次大修檢查情況如下

2012 年：2 號機組停機小修，查出葉片葉根斷裂故障；

2013 年：1、2、4 號機組大修，查出葉根裂紋；

2013 年：3 號機組大修，首次查出司太立合金片缺陷問題；

2014 年：4 號機組大修，查出司太立合金片缺陷；

2014 年：1 號機組大修，查出葉根裂紋；

2014 年：2 號機組大修，查出司太立合金片缺陷。

截至2014 年底，已經檢查出的司太立合金片缺陷類型以及缺陷數量，汽輪機低壓缸末三級葉片司太立合金部位缺陷統計（總計77 片）。

據統計可知，有缺陷的葉片均為X 汽輪機廠生產，西屋產葉片尚沒有發現缺陷。 為分析X 汽輪機廠葉片司太立合金缺陷產生的根本原因， 選取了1 片缺陷已貫穿至葉身母材的X 汽輪機廠制造葉片進行了系統失效分析，并通過廠家葉片制造工藝調研，分析得到X 汽輪機廠產葉片司太立合金片開裂的根本原因，針對原因，提出了對策建議。

1 葉片司太立合金片缺陷原因分析過程

1.1 司太立合金片樣品的選取

選取了3 號機組（X 汽輪機廠制造）裂紋已貫穿至葉身母材的62 號缺陷葉片進行系統分析。 62 號葉片宏觀形貌缺陷，葉盆裂紋和葉背裂紋兩種情況。

1.2 葉片本體宏觀檢查

按照GB/T20967“無損檢測-目視檢測總則”對葉片樣品進行了目視和體視顯微鏡檢測，檢測信息內容如下：

62 號葉片目視檢查情況：

1）葉片表面呈黑灰色，局部發亮并有著色探傷的痕跡，葉身有縱向一道道黑色印記，葉片表面有噴丸處理；

2） 裂紋位于進汽邊距葉頂約150mm 的司太立合金片底部的釬焊區，內弧側裂紋長約32mm，背弧側裂紋長約27mm；

3）釬焊司太立合金溝槽很不規則， 用釬焊料添充， 釬焊料外表面有水蝕孔洞形成；

4） 裂紋兩側有打磨的痕跡。

1.3 葉片橫截面檢查

62 號葉片內弧和背弧面釬焊槽的根部修正的很不規則，過渡處基本呈直角過渡， 但經廠家調研發現， 西屋產葉片內弧和背弧面釬焊槽的加工情況較圓滑。

1.4 斷口分析

1.4.1 斷口宏觀分析

用線切割的方法將葉片的裂紋打開，62 號葉片斷口宏觀形貌分析如下：

1） 司太立合金片始裂區位于司太立合金片內部修整不規則尖角處， 司太立合金斷面呈光亮色， 發散棱線明顯；

2）葉片基材是多源的，裂紋源區分別位于釬焊司太立合金片溝槽內側和溝槽拐角過渡尖點處，源區斷面都高低起伏，呈黑灰色，可見收斂于裂紋源區的發散棱線，向葉片出汽邊及葉盆處發散；

3）基材側面裂紋源區側面有加工刀痕，進汽邊源區存在尖點；

4）基材斷面擴展區較為平坦，基材擴展區斷面較為細密，有清晰的貝紋線；

5）釬焊料斷面呈黃色和黑色，基材斷面呈黑灰色，氧化嚴重。

1.4.2 斷口微觀分析

斷口微觀形貌：電子顯微鏡下觀察葉片斷面微觀形貌，62 號葉片斷口微觀形貌分析如下：

1）司太立合金片裂紋源A 區存在尖點，發散棱線明顯；

2） 基材B、C、D 裂紋源區低倍下都可見放射狀條紋，放射狀條紋向出汽邊側和葉盆處延伸；

3）B、C、D 裂紋源區斷面上都略有磨損，D 裂紋源區存在尖點；

1）基材上裂紋擴展區高倍下都可見疲勞條紋，方向垂直于裂紋擴展方向；

2）B 區和C 區司太立合金片和葉片基材之間釬焊料約20μm。

能譜測試：用能譜分析儀對清洗后的司太立合金斷口及葉片基材未清洗斷口進行微區成分分析， 測試結果見表1 和表2。 從表7 中數據可見，葉片司太立合金及基材斷面氧化嚴重，司太立合金片裂紋源區有基材成分。

表1 ：葉片司太立合金片斷口能譜分析結果 （Wt%）Tab.1:The blade stel lite alloy slices eds.the analysis results （Wt%）

表2 ：葉片基材斷口能譜分析結果 （Wt%）Tab.2:Energy spectrum analysis results of blade matrix fracture （Wt%）

1.5 材質分析

在葉片上取樣，檢驗葉片材質的化學成分、力學性能和金相組織。 金相部位3 個、拉棒2 個、沖擊硬度2個、化學1。

1.5.1 化學成分分析

按照GB/T223《鋼鐵及合金化學分析方法》系列標準對葉片進行化學成分分析，發現葉片材質的化學成分符合0Cr17Ni4Cu4Nb 材質的技術要求。

1.5.2 力學性能

按照GB/T228“金屬材料室溫拉伸試驗方法”，GB/T231“金屬布氏硬度試驗方法”，GB/T229“金屬夏比缺口沖擊試驗方法”[3，4]，通過拉伸、硬度、沖擊試驗，葉片鋼室溫力學性能測試結果見表3，由表3 可見，葉片鋼室溫力學性能符合技術要求。

表3 ：葉片鋼室溫力學性能試驗結果Tab.3:Test results on the mechanical properties of blade steel at room temperature

1.5.3 金相組織

分別在葉片葉身和葉根上取樣，利用金相顯微鏡對試樣進行金相檢驗[5]，檢驗結果見表4，由金相檢驗結果可見，葉片鋼金相檢驗結果符合技術要求。

表4 ：金相檢驗結果Tab.4:Metallographic examination results

1.6 應力測試

用應力測試儀對葉片裂紋兩側表面的不同位置進行殘余應力測試，測試位置為葉盆處兩側各取兩個測試點，葉背處兩個測試點，經過測試結果可見，裂紋兩側的殘余應力都為較大的壓應力，但很均勻。

1.7 葉片制造工藝分析

經查閱資料，并赴X 汽輪機廠調研。 發現X 汽輪機廠產葉片加工工藝、 焊接工藝和焊接過程溫度控制存在以下問題：

1）司太立合金槽根部設計有R9.56 倒圓，但實際加工中由于采用四軸加工，通過鉗修實現，導致達不到設計要求。

2）司太立合金片高頻釬焊焊接過程中溫度要求控制在745－845 ℃左右， 但由于測溫和控溫裝置手段限制，實際溫度控制存在偏差情況，經調查X 汽輪機廠釬焊一次合格率整體偏低（約30%左右）。 大部分葉片都存在冷卻后火焰補焊情況。

2 分析結論

綜合以上分析過程，對于缺陷的原因，得出以下結論：

1）62 號低壓次末級葉片司太立合金片上的裂紋為疲勞裂紋；

2）產生疲勞裂紋與葉片材質的冶金質量無關；

3）低壓次末級葉片產生疲勞裂紋的主要原因是：在運行情況下，司太立合金片及司太立合金槽存在尖點產生的應力集中效應和葉片承受較為復雜的振動應力；

4）司太立合金片安裝槽加工工藝不達標，退刀槽為直角，不滿足設計要求，存在應力集中；

5）釬焊質量控制不良，在一定程度上促進了缺陷的產生。

3 優化改進建議

3.1 優化改進要解決的問題

解決次末級葉片司太立合金槽退刀槽結構應力集中過大及釬焊質量欠缺問題，從而避免次末級葉片司太立合金片部位葉片基材開裂缺陷的發生。

3.2 改進方法

1）改進釬焊設備，增加測溫和控溫裝置手段，高頻釬焊過程中溫度控制要均勻， 防止釬焊過程中溫度偏差過大；

2） 釬焊后對于不滿足驗收要求的葉片必須實施熱補焊處理， 即在高頻釬焊機上焊完后必須馬上進行火焰手工補焊，不允許葉片冷卻后再進行火焰補焊；

3） 采用更為先進的葉片加工方法， 保證葉片司太立合金片釬焊槽底部及退刀槽為圓滑過渡， 滿足設計倒圓要求；

4） 葉片司太立合金焊接完成后增加噴丸處理工藝，改善殘余應力狀態。