電廠汽輪機(jī)葉輪輪緣開裂失效分析

王軍明，商顯棟，張 號(hào)，張 元，郭相吉，仇性啟

(1.中國(guó)石化齊魯分公司熱電廠，山東 淄博 255400；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子工作環(huán)境為高溫高壓蒸汽，并且高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)受多種復(fù)雜、交變的作用力。葉輪是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中承受應(yīng)力最大的零件之一。由于蒸汽中含有微量雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)在葉輪幾何過渡處的局部濃縮，經(jīng)常導(dǎo)致葉輪應(yīng)力集中部位發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[1-3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉輪開裂主要發(fā)生在輪緣和鍵槽處，葉輪側(cè)表面和內(nèi)孔也可能發(fā)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(jié)構(gòu)裝配，輪緣葉根槽處會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中[8]。2015年我國(guó)北方某熱電公司某汽輪機(jī)組突然發(fā)生爆炸燃燒，造成直接經(jīng)濟(jì)損失近1 000萬(wàn)元，所幸未造成人員傷亡。調(diào)查組經(jīng)技術(shù)分析認(rèn)為，事故原因是由于某級(jí)葉輪輪緣在運(yùn)行中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂直至葉輪斷裂，機(jī)組軸系嚴(yán)重失衡，導(dǎo)致油氣泄漏并發(fā)生劇烈爆炸和燃燒。吳誠(chéng)德[9]對(duì)某葉輪輪緣開裂進(jìn)行了失效分析，認(rèn)為應(yīng)力腐蝕裂紋造成了葉輪輪緣局部開裂。輪緣開裂是汽輪機(jī)葉輪失效行為中非常重要的一種，若裂紋不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，任其發(fā)展，會(huì)造成輪緣斷裂和葉片飛脫，轉(zhuǎn)子嚴(yán)重失衡，后果不堪設(shè)想，有必要對(duì)其失效機(jī)理有必要進(jìn)行深入分析。

1 失效概況

某熱電廠汽輪機(jī)在進(jìn)行壽命評(píng)估檢驗(yàn)的過程中，經(jīng)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)末四級(jí)(共17級(jí))葉輪出汽側(cè)輪緣外表面開裂，共發(fā)現(xiàn)2處環(huán)向裂紋(裂紋1和裂紋2)。其中，裂紋1長(zhǎng)度約為70 mm，裂紋2長(zhǎng)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(jìn)行解剖分析，葉輪材料為34CrNi3Mo。

對(duì)開裂部位進(jìn)行超聲波探傷，現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示，結(jié)果顯示，裂紋1深度為9 mm左右。同時(shí)發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的存在會(huì)使葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部承受較大的拉應(yīng)力。即開裂部位為葉片根部應(yīng)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(nèi)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(shí)驗(yàn)分析

3.1 金相組織分析

對(duì)葉輪反T形槽內(nèi)壁正常部位取樣，進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)所示，金相組織為回火索氏體且組織正常。對(duì)葉輪反T形槽開裂部位取樣進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)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(fā)現(xiàn)斷口表面覆蓋有大量白色的腐蝕產(chǎn)物。

圖7 裂紋斷口形貌

斷口經(jīng)清洗后置于掃描電鏡下觀測(cè)，結(jié)果如圖8所示。斷口大部分被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，但裸露出的部分為冰糖狀花樣斷口，斷口為應(yīng)力及腐蝕產(chǎn)物共同作用的結(jié)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(chǎn)物的微觀形貌。由斷口分析可知，1號(hào)裂紋斷口具有典型的應(yīng)力腐蝕斷裂形貌。

圖8 斷口微觀形貌

3.3 斷口能譜分析

對(duì)圖3所示開裂葉輪附近白色附著物進(jìn)行能譜分析，微觀形貌見圖9，結(jié)果如表1所示。結(jié)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(cè)試位置

表1 白色附著物能譜分析結(jié)果 %

對(duì)葉輪出汽側(cè)反T形槽內(nèi)壁上方根部開裂內(nèi)表面處腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，微觀形貌見圖10，結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物中含有Na、Cl等腐蝕敏感元素。

圖10 內(nèi)表面處腐蝕產(chǎn)物形貌及測(cè)試位置

表2 內(nèi)表面處腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

3.4 化學(xué)成分分析

葉輪的設(shè)計(jì)材質(zhì)為34CrNi3Mo，取樣對(duì)輪緣進(jìn)行化學(xué)成分分析，判斷其材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。據(jù)分析結(jié)果可知，葉輪的化學(xué)成分符合《JB/T 1266—2014 25MW～200MW汽輪機(jī)輪盤及葉輪鍛件技術(shù)條件》[10]中對(duì)34CrNi3Mo的要求。

表3 葉輪化學(xué)成分分析結(jié)果 %

4 開裂原因分析

4.1 開裂特征分析

由現(xiàn)場(chǎng)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(cè)反T形槽內(nèi)壁上方根部。裂紋大體走向與工作應(yīng)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(huì)使葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部運(yùn)行過程中承受較大的拉應(yīng)力及離心力。開裂部位為應(yīng)力集中處。

由金相組織檢驗(yàn)結(jié)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(yīng)力腐蝕開裂裂紋形貌特征。

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，材料材質(zhì)為34CrNi3Mo，成分符合JB/T 1266—2014的要求，且此材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性[12]。

由掃描電鏡和能譜分析結(jié)果可知，斷面存在大量腐蝕產(chǎn)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(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂。

4.2 斷裂過程分析

在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部受到裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力、離心力等應(yīng)力的復(fù)合作用，金屬墊片的存在增大了此處的擠壓應(yīng)力，同時(shí)此處為幾何不連續(xù)處，應(yīng)力集中嚴(yán)重。

末四級(jí)葉輪工作在濕蒸汽環(huán)境中[13]，蒸汽內(nèi)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(xué)腐蝕。葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部的應(yīng)力集中促使此處成為裂紋源，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。裂紋大致沿與復(fù)合應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展，直至完全裂透。

5 結(jié) 論

汽輪機(jī)葉輪輪緣反T形槽內(nèi)壁上方根部存在嚴(yán)重應(yīng)力集中，運(yùn)行過程中Na、Cl、S等腐蝕敏感元素在此處長(zhǎng)期積聚易形成腐蝕環(huán)境，最終形成應(yīng)力腐蝕開裂。汽輪機(jī)定期檢修過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該處埋藏缺陷的檢查。