火電廠汽輪機葉輪輪緣開裂失效研究

張軍

摘 ?要：通過一系列的分析，例如能譜以及成分分析，針對葉輪輪緣開裂的現象，對其開展了全面的失效分析。通過分析結果得知，對于該汽輪機葉輪失效而言，屬于一種普遍的應力腐蝕開裂，主要由于兩個方面的因素，從而致使葉輪開裂現象的出現，一是在葉輪上方根部，有著相對集中的應力，二是在汽輪機運行環境中有著多種腐蝕元素，例如鈉元素、氯元素以及硫元素。總之通過本文的探究，以期為有關人員提供參考。

關鍵詞：汽輪機;葉輪失效;金相組織;化學成分;應力腐蝕

引言：

就汽輪機轉子而言，其主要是在高溫以及高壓的環境下進行工作的，同時它還有很大的旋轉速度，能夠承受諸多不同的作用力。在汽輪機轉子中，最大的承受應力的零件就是葉輪。因為在蒸汽之中，會存在少數的雜質，這對于葉輪幾何過度處來說，極易引起腐蝕性介質在這之中出現局部濃縮現象，往往會在葉輪應力相對聚集的位置，造成應力腐蝕開裂問題。根據有關統計，汽輪機葉輪開裂往往出現于兩個地方，也就是鍵槽以及輪緣處，另外在內孔以及表面的地方，也容易出現開裂的現象。由于根部以及輪緣的作用，再加上對結構的裝配，致使在輪緣葉根槽的地方，存在相對集中的應力。在汽輪機中，導致葉輪失效的行為中，輪緣開裂是比較常見的現象，如果沒有及時看到裂紋，任由它繼續發展下去，將會導致輪緣斷裂問題，同時葉片也會脫離，最終導致轉子失衡問題，這一后果是非常嚴重的，因此應該加強失效機理的研究。

1.葉輪輪緣開裂失效概況

某電廠汽輪機在開展壽命評估檢驗中，通過滲透檢測得知，葉輪輪緣外存在開裂，一共出現兩處裂紋，從長度上來看，裂紋1大概達到0.7毫米，裂紋2的達到0.5毫米，圖1所示，為裂紋位置與形貌，結合圖中所含信息得知，兩者有著一定的類似性，將裂紋1開展解剖分析。針對開裂位置開展相應的超聲波探傷，通過結果得知，深度大概達到9毫米，并且在葉輪的周圍，有著很多的附著物。為了更好探究開裂原因，基于開裂位置取樣開展失效分析。

2.宏觀檢查

對裂紋1開展切割取樣，圖2（a）所示，為實際所選取的樣品;通過全面觀察得知，輪緣已經徹底裂透，而且對于底部以及葉輪槽，兩者之間存在金屬墊片，詳情如圖2（b）所示。因此對于上方根部來講，需要承受一定的拉應力，換而言之，應力主要體現于開裂部分。朝著徑向解剖試樣，圖3所示，為徑向的截面。結合圖中所含信息得知，這一處的裂紋并沒有徹底裂透，由此可以判斷，從上方根部朝著外部開裂，對于裂紋的尖端來講，是以樹枝狀來進行分布的。

3.實驗分析

本實驗主要從以下方面進行分析，也就是金相組織分析、掃描電鏡分析、斷口能譜分析以及化學成分分析，以期為相關人員提供借鑒。（1）金相組織分析。向正常部位進行取樣，通過對顯微鏡的使用來檢驗，圖4（a）所示，為詳細的檢驗結果，結合圖中所含信息可以得知，對于金相組織而言，其組織并非異常。向開裂部位進行取樣，通過對顯微鏡的使用來檢驗，圖4（b）所示，為詳細的檢驗結果，結合圖中所含信息可以得知，對于基體組織而言，其屬于回火索氏體。結合裂紋來分析，主要是沿晶開裂，對于裂紋的尖端來講，是以樹枝狀來進行分布的。

（2）掃描電鏡分析。沿著裂紋1的方向把樣品打開，得知在斷口表面，存在很多的白色腐蝕物，將斷口進行清洗處理，通過對掃描電鏡的使用來進行觀測，結果顯示，斷口基本上被產物所覆蓋，對于露出的部分而言，屬于一種花樣斷口，在兩方面的作用下致使斷口形成，一方面是應力，另一方面就是白色腐蝕產物，斷口屬于一種較為常見的脆性斷口。針對花樣處斷口，對其進行放大處理得知，有著很多的二次裂紋。在全面分析斷口的基礎上得知，就1號裂紋斷口而言，其存在應力斷裂形貌。

（3）斷口能譜分析。針對葉輪周圍白色附著物，對其開展能譜分析，圖5所示，為微觀形貌，詳細結果見表1。通過結果可以得知，在這一附著物中存在一系列的敏感元素，而且量是很大的，例如鈉元素、硫元素。針對表面處腐蝕產物，對其開展能譜分析，圖6所示，為微觀形貌，詳細結果見表2。通過結果可以得知，在這一腐蝕產物中存在一系列的敏感元素，而且量是很大的，例如鈉元素、氯元素。

（4）化學成分分析。對于汽輪機葉輪而言，其材質屬于34CrNi3Mo，取樣對輪緣開展成分分析，確定葉輪材料有沒有滿足標準要求。表3所示，為成分分析結果，結合表中所含信息得知，葉輪成分能夠滿足有關的標準要求。

4.開裂原因分析

對于致使汽輪機輪緣開裂的原因，本文主要從兩個方面進行分析，也就是開裂特征分析以及斷裂過程分析，希望能為有關人員提供幫助。（1）開裂特征分析。通過進行現場觀察，再加上宏觀檢測得知，葉輪周圍有著很多的白色附著物，裂紋開始形成于上方根部。針對于底部以及葉輪槽，由于兩者之間存在金屬墊片，促使葉輪在實際運行中，需要承受兩種力，一種是拉應力，另一種就是離心力，應力主要體現于開裂部位。針對金相組織對其開展檢查得知，對于金相組織而言，其組織并非異常，結合裂紋來分析，主要是沿晶開裂，對于裂紋的尖端來講，是以樹枝狀來進行分布的，存在應力腐蝕形貌的特點。通過成分分析結果得知，對于汽輪機葉輪而言，其材質屬于34CrNi3Mo，能夠滿足有關的標準要求，并且這一材料存在應力腐蝕敏感性。通過對掃描電鏡的使用來開展能譜分析，結合結果可以得知，斷面有著很多的腐蝕產物，有著二次裂紋的現象，以斷口裸露的地方來看，屬于一種冰糖狀花樣，而斷口屬于一種較為常見的斷口，存在應力腐蝕斷口的特點。由此可以得知，針對這一輪緣開裂而言，是一種普遍的應力腐蝕開裂。

（2）斷裂過程分析。汽輪機實際工作中，對于葉輪上方根部來講，受到多種應力的作用，例如較為常見的熱應力，由于有著一定的金屬墊片，致使這一處的應力被增加，與此同時，該處屬于幾何斷續的地方，應力集中相對突出。葉輪運轉處于濕蒸汽的環境，其中有著一系列的腐蝕元素，例如較為常見的鈉元素、氯元素以及硫元素，和水作用產生電解液，滲進葉輪輪緣的地方，從而致使電化學腐蝕。在葉輪上方根部，由于存在較為集中的應力，使得這一處形成裂紋源，最終導致應力腐蝕開裂。和應力呈90度的方向，朝著這一方向裂紋不斷延伸，直到徹底裂透。

結論：

綜上所述，在葉輪上方根部處有著相對集中的應力，當汽輪機處于工作狀態，在這一個地方長時間積聚多種腐蝕元素，例如鈉元素、氯元素以及硫元素，而且量是很大的，因此極有可能產生腐蝕環境，久而久之，會致使應力腐蝕開裂的出現。以定期的形式，在對汽輪機開展檢修作業時，對于這一處埋藏的缺陷，需要注重進行檢查，為汽輪機正常的運轉，提供強有力的保障。

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