電廠汽輪機葉輪輪緣開裂失效分析

王軍明，商顯棟，張 號，張 元，郭相吉，仇性啟

(1.中國石化齊魯分公司熱電廠，山東 淄博 255400；2.山東省特種設備檢驗研究院有限公司，山東 濟南 250101；3.中國石油大學(華東)新能源學院，山東 青島 266580)

汽輪機轉子工作環境為高溫高壓蒸汽，并且高速旋轉，經受多種復雜、交變的作用力。葉輪是汽輪機轉子中承受應力最大的零件之一。由于蒸汽中含有微量雜質，會導致腐蝕性介質在葉輪幾何過渡處的局部濃縮，經常導致葉輪應力集中部位發生應力腐蝕開裂[1-3]。

據統計，葉輪開裂主要發生在輪緣和鍵槽處，葉輪側表面和內孔也可能發生開裂[4-7]。葉片根部與輪緣之間的接觸作用、零件加工和結構裝配，輪緣葉根槽處會產生較大應力集中[8]。2015年我國北方某熱電公司某汽輪機組突然發生爆炸燃燒，造成直接經濟損失近1 000萬元，所幸未造成人員傷亡。調查組經技術分析認為，事故原因是由于某級葉輪輪緣在運行中發生應力腐蝕開裂直至葉輪斷裂，機組軸系嚴重失衡，導致油氣泄漏并發生劇烈爆炸和燃燒。吳誠德[9]對某葉輪輪緣開裂進行了失效分析，認為應力腐蝕裂紋造成了葉輪輪緣局部開裂。輪緣開裂是汽輪機葉輪失效行為中非常重要的一種，若裂紋不能被及時發現，任其發展，會造成輪緣斷裂和葉片飛脫，轉子嚴重失衡，后果不堪設想，有必要對其失效機理有必要進行深入分析。

1 失效概況

某熱電廠汽輪機在進行壽命評估檢驗的過程中，經滲透檢測發現末四級(共17級)葉輪出汽側輪緣外表面開裂，共發現2處環向裂紋(裂紋1和裂紋2)。其中，裂紋1長度約為70 mm，裂紋2長度約為50 mm。開裂位置及裂紋形貌如圖1所示。兩處裂紋位置及形貌類似，選取裂紋1進行解剖分析，葉輪材料為34CrNi3Mo。

對開裂部位進行超聲波探傷，現場圖如圖2所示，結果顯示，裂紋1深度為9 mm左右。同時發現此開裂葉輪附近覆蓋有大量白色附著物，白色附著物在葉輪表面普遍存在。如圖3所示。為探究其開裂原因，在葉輪開裂部位取樣進行失效分析。

圖3 葉輪白色附著物

2 宏觀檢查

在葉輪裂紋1處進行切割取樣，所取樣品如圖4(a)所示；沿裂紋中部徑向解剖后觀察發現輪緣已完全裂透，且葉根底部與葉輪槽間隙處填充金屬墊片，如圖4(b)所示。金屬墊片結構的存在會使葉輪反T形槽內壁上方根部承受較大的拉應力。即開裂部位為葉片根部應力集中處。

圖4 葉輪試樣及裂紋形貌

在靠近表面裂紋的非裂紋處沿徑向解剖試樣，徑向截面如圖5所示。觀察可知，此處裂紋并未完全裂透，可判斷裂紋由葉輪反T形槽內壁上方根部向外部開裂，裂紋尖端呈樹枝狀分布。

圖5 未裂透葉輪試樣

3 實驗分析

3.1 金相組織分析

對葉輪反T形槽內壁正常部位取樣，進行顯微組織檢驗。檢驗結果如圖6(a)所示，金相組織為回火索氏體且組織正常。對葉輪反T形槽開裂部位取樣進行顯微組織檢驗，檢驗結果如圖6(b)所示，基體組織為回火索氏體。裂紋以沿晶開裂為主，尖端呈樹枝狀分布。

圖6 葉輪微觀組織

3.2 掃描電鏡分析

將葉輪樣品沿裂紋1打開，斷口形貌如圖7所示。發現斷口表面覆蓋有大量白色的腐蝕產物。

圖7 裂紋斷口形貌

斷口經清洗后置于掃描電鏡下觀測，結果如圖8所示。斷口大部分被腐蝕產物覆蓋，但裸露出的部分為冰糖狀花樣斷口，斷口為應力及腐蝕產物共同作用的結果，斷口為典型的脆性斷口，如圖8(a)所示。冰糖狀花樣處斷口放大后可觀察到大量沿原奧氏體晶界開裂的二次裂紋，如圖8(b)所示。圖8(c)為腐蝕產物的微觀形貌。由斷口分析可知，1號裂紋斷口具有典型的應力腐蝕斷裂形貌。

圖8 斷口微觀形貌

3.3 斷口能譜分析

對圖3所示開裂葉輪附近白色附著物進行能譜分析，微觀形貌見圖9，結果如表1所示。結果顯示，白色附著物含有大量Na、S等腐蝕敏感元素。

圖9 白色附著物形貌及測試位置

表1 白色附著物能譜分析結果 %

對葉輪出汽側反T形槽內壁上方根部開裂內表面處腐蝕產物進行能譜分析，微觀形貌見圖10，結果如表2所示。結果顯示，腐蝕產物中含有Na、Cl等腐蝕敏感元素。

圖10 內表面處腐蝕產物形貌及測試位置

表2 內表面處腐蝕產物能譜分析結果 %

3.4 化學成分分析

葉輪的設計材質為34CrNi3Mo，取樣對輪緣進行化學成分分析，判斷其材料是否符合標準要求。化學成分分析結果見表3。據分析結果可知，葉輪的化學成分符合《JB/T 1266—2014 25MW～200MW汽輪機輪盤及葉輪鍛件技術條件》[10]中對34CrNi3Mo的要求。

表3 葉輪化學成分分析結果 %

4 開裂原因分析

4.1 開裂特征分析

由現場觀察和宏觀檢查可知，開裂葉輪附近覆蓋大量白色附著物，裂紋起裂于葉輪出汽側反T形槽內壁上方根部。裂紋大體走向與工作應力方向基本垂直[11]。葉根底部與葉輪槽間隙處填充金屬墊片，會使葉輪反T形槽內壁上方根部運行過程中承受較大的拉應力及離心力。開裂部位為應力集中處。

由金相組織檢驗結果可知，葉輪材料金相基體組織為回火索氏體且金相組織正常，裂紋以沿晶開裂為主，尖端呈樹枝狀分布，有應力腐蝕開裂裂紋形貌特征。

由化學成分分析結果可知，材料材質為34CrNi3Mo，成分符合JB/T 1266—2014的要求，且此材料具有應力腐蝕敏感性[12]。

由掃描電鏡和能譜分析結果可知，斷面存在大量腐蝕產物，存在二次沿晶開裂裂紋，斷口裸露處為冰糖狀花樣，斷口為脆性斷口，具有應力腐蝕開裂斷口特征。

綜上所述，此葉輪輪緣開裂屬于典型的應力腐蝕開裂。

4.2 斷裂過程分析

在汽輪機運行過程中，葉輪反T形槽內壁上方根部受到裝配應力、熱應力、離心力等應力的復合作用，金屬墊片的存在增大了此處的擠壓應力，同時此處為幾何不連續處，應力集中嚴重。

末四級葉輪工作在濕蒸汽環境中[13]，蒸汽內存在的腐蝕性元素Na、Cl、S等，與水形成電解液，滲入葉輪輪緣處，造成電化學腐蝕。葉輪反T形槽內壁上方根部的應力集中促使此處成為裂紋源，發生應力腐蝕開裂。裂紋大致沿與復合應力垂直的方向擴展，直至完全裂透。

5 結 論

汽輪機葉輪輪緣反T形槽內壁上方根部存在嚴重應力集中，運行過程中Na、Cl、S等腐蝕敏感元素在此處長期積聚易形成腐蝕環境，最終形成應力腐蝕開裂。汽輪機定期檢修過程中應加強對該處埋藏缺陷的檢查。