汽輪機低壓轉子末級葉片斷裂分析

劉志敏，石永鋒

(上海華電閔行能源有限公司， 上海 201108)

汽機輪是重要的發電設備之一。汽輪機葉片的工作條件惡劣，其可靠性對機組的安全穩定運行有重要影響。在實際運行過程中，汽輪機低壓轉子末級葉片經常發生斷裂失效等問題，嚴重影響了機組的正常運行。

筆者對某燃氣-蒸汽聯合循環機組汽輪機低壓轉子末級葉片斷裂進行綜合分析，采用宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能試驗、斷口分析和金相組織分析等手段進行研究，以為同類型機組的同類情況提供參考。

1 機組概況

該燃氣-蒸汽聯合循環機組汽輪機為次高壓、單缸、單軸、雙壓、無再熱、無回熱、抽汽凝汽式汽輪機，型號為LZC80-7.80/0.65/0.15。汽缸的第1～5級為雙層結構，其后為單層結構，通流部分共由15級壓力級組成。

該機組運行期間汽輪機軸承振動突增，觸發汽輪機危機跳閘保護系統(ETS)動作，使汽輪機跳閘。機組停機后揭缸檢查發現末級(第15級)的57號葉片發生斷裂，并造成同級部分葉片損傷，葉片斷裂面距葉片頂部約280 mm。末級葉片參數見表1，葉片結構形式為雙焊拉筋成組葉片，材料為0Cr17Ni4Cu4Nb-T6(Ⅱ)，葉根為樅樹型葉根，并采用釬焊司太立合金片的防水蝕措施。

表1 末級葉片參數

末級葉片上部進汽側水蝕嚴重，幾乎所有末級葉片距葉頂280 mm處均存在寬3～7 mm的缺口，葉根出汽側也存在不同程度的水蝕坑[1]，水蝕情況見圖1。

圖1 低壓轉子末級葉片損傷情況

對機組運行歷史數據進行調查分析，包括機組負荷、進排汽參數、軸振、抽汽參數、背壓、蒸汽品質等。調查發現，從機組投運以來，汽輪機背壓總體呈階段性遞增趨勢。投運初期，汽輪機背壓最低(為2.02 kPa)，在后續運行中，年平均汽輪機背壓都在設計額定背壓(3.4 kPa)以上，初步排除真空過高對末級葉片的影響。調查未發現機組有異物進入、動靜碰摩、超速等現象。

針對葉片斷裂問題，對低壓轉子末級的57號葉片和12號葉片進行檢查，57號葉片在機組異常停機時斷裂，12號葉片存在裂紋，次末級無損檢測未見異常。

2 材料理化檢驗與斷口分析

2.1 宏觀檢驗

57號葉片及其斷口的宏觀形貌見圖2。由圖2可以看出：斷面較平為平滑，疲勞斷口特征明顯；斷面部分區域氧化程度重于其他區域，說明該區域最先開裂，為疲勞源和疲勞擴展區，其他區域氧化程度較輕，為瞬斷區。

圖2 57號葉片及其斷口的宏觀形貌

12號葉片的宏觀形貌及裂紋形貌見圖3。框內區域存在一處裂紋(見圖3(a))，裂紋位于焊接司太立合金末端，由葉片邊緣向內發展(見圖3(b))。

圖3 12號葉片的宏觀形貌和裂紋形貌

發生斷裂的57號葉片和存在裂紋的12號葉片開裂位置相同，為進汽側距葉頂280 mm處，此處為焊接司太立合金末端[2]。司太立合金與葉片母材交界處有一處凹陷，結構上不連續，易導致應力集中，產生裂紋源。異常停機后對機組末級葉片進行磁粉檢驗，存在裂紋的葉片號為4、8、12、13、16、19、40、72、73、74、77、80、89、91、92；無磁痕顯示的葉片號為1、9、18、20、22、24、26、28、29、32、34、36、37、56、60、71、75、95。末級葉片的裂紋和開口位置見圖4。

圖4 末級葉片的裂紋和開口位置

2.2 化學成分分析

用線切割在57號葉片上切取15 mm×15 mm×3 mm的金屬薄片，用火花直讀光譜儀進行成分測定，結果見表2。由表2可知：57號葉片除Cr、S含量偏高，其他元素含量均符合GB/T 8732—2004 《汽輪機葉片用鋼》的要求。

表2 57號葉片化學成分分析結果 %

2.3 力學性能試驗

按照圖5的拉伸試樣尺寸分別從57號和12號葉片上切取2個拉伸試樣，編號為57-1、57-2、12-1和12-2，具體取樣位置見圖6。

圖5拉伸試樣尺寸

圖6 57號和12號葉片拉伸試樣的取樣位置

拉伸試驗結果見表3。由表3可知：除12-1試樣的屈服強度偏低，其他試樣的力學性能均符合GB/T 8732—2004的要求。

表3 拉伸試驗結果

2.4 斷口形貌分析

對57號葉片斷口用掃描電子顯微鏡(SEM)進行形貌分析，觀察位置見圖7，其中：Ⅰ區域為疲勞裂紋源，Ⅱ區域為疲勞裂紋擴展區，Ⅲ、Ⅳ區域分別為裂紋的加速擴展和瞬斷區。

圖7 57號葉片斷口表面的觀察位置

葉片斷口的SEM形貌掃描結果見圖8。

圖8 葉片斷口的SEM形貌掃描結果

由圖8可知：裂紋源處斷口表面有明顯的細小凹坑，由于葉片進汽側存在水蝕現象，細小的凹坑可能是該部位開裂后水蝕造成；距離裂紋源約3 mm處斷口平整，為裂紋的早期擴展區；疲勞裂紋擴展區斷口表面平整，箭頭指向處為疲勞貝紋線，疲勞裂紋產生后，沿貝紋線發展方向(箭頭的相反方向)擴展，具有典型的馬氏體耐熱鋼疲勞擴展輝紋特征。在瞬斷區，有與疲勞區不同的韌窩特征。

2.5 金相組織分析

取57號葉片疲勞源區試樣進行金相組織分析，取樣位置見圖9。

圖9 57號葉片金相試樣取樣位置

用OLYMPUS GX71金相顯微鏡觀察疲勞源及其下方5 mm處顯微組織(見圖10)。由圖10可知：組織為回火馬氏體，未見異常，且未見夾雜物或其他微觀缺陷，未發現δ鐵素體超標。

圖10 57號葉片的疲勞源及其下方5 mm處金相組織

取12號葉片裂紋位置試樣進行金相組織分析，采用金相顯微鏡觀察裂紋擴展方向，取樣位置及區域劃分見圖11。

圖11 12號葉片的取樣位置及區域劃分

金相組織觀察面為裂紋擴展方向與葉片厚度構成的面，即裂縫位置的葉片橫截面，觀察結果見圖12(均放大200倍)。由圖12可知：金相組織均為回火馬氏體，晶界處有部分碳化物，未發現δ鐵素體超標。

圖12 12號葉片金相組織

3 斷裂原因分析

3.1 機組運行對葉片的影響

(1) 機組投運以來，實際負荷逐年降低，供暖季抽汽量逐年增加，導致汽輪機末級葉片通流量遞減，末級葉片工作環境逐步惡化，加重葉片水蝕。

(2) 機組投運以來，汽輪機背壓總體呈階段性遞增趨勢。投運初期，汽輪機背壓最低(為2.02 kPa)，而在后續運行中，年平均汽輪機背壓都在設計額定背壓(3.4 kPa)以上，初步排除真空過高對末級葉片的影響。

(3) 汽輪機運行規程要求最大抽汽工況下，排汽質量流量為44 384 kg/h，從歷年1月份的機組凝結水流量看，排汽質量流量均在規定值以上。調閱歷年檢修資料，發現機組投運的第2年凝結水質量流量在歷史最高凝結水質量流量(80 t/h)以上時，末級葉片上部進汽側已經發生水蝕問題。后兩次揭缸發現水蝕加劇，同時發現末級葉片出汽側出現水蝕，證明末級葉片通流量低于最小通流量，汽輪機末級葉片存在小流量運行工況。

綜上所述，機組負荷的逐年降低和供熱量的逐年增加，以及汽輪機末級葉片通流量逐年減少，造成末級葉片小流量運行，該工況下易造成末級葉片背部回流，加劇葉片的水蝕程度。此外，小流量運行也容易產生顫振使葉片動應力增大，進而造成葉片損傷等問題。

3.2 葉片材質分析

(1) 汽輪機低壓轉子末級的57號葉片斷裂、12號葉片存在裂紋，2根葉片缺陷位置具有一致性，均為葉片進汽側距葉頂280 mm的司太立合金與葉片母材交界處。該處存在結構上不連續，易產生應力集中。在長期運行中，由于水蝕及應力集中的共同作用，葉片產生疲勞裂紋。在對機組低壓轉子末級葉片進行磁粉檢測時，發現共有33根葉片在該位置存在裂紋或開口缺陷。

(2) 對葉片進行化學成分分析，發現葉片Cr、S的含量高于GB/T 8732—2004要求，其他元素含量符合標準要求。Cr含量較高容易產生鐵素體，引起C和Cr偏析，使馬氏體轉變不完全，可導致材料強度降低、韌塑性增加；S含量偏高會產生熱脆現象，劣化鋼材質量，同時對焊接性能產生不利影響。開展金相組織分析時，未發現δ鐵素體超標。因此，Cr、S含量超標不是葉片產生裂紋的主要原因。

(3) 對2根葉片進行拉伸試驗，除12號葉片屈服強度偏低外，其他試驗數據符合標準要求。12號葉片的屈服強度低于標準要求下限，但平均值達到880 MPa，且抗拉強度合格。因此，屈服強度偏低也不是葉片開裂的主要原因。

(4) 在金相組織分析中發現2根葉片疲勞源位置及葉片母材的其他位置組織均為回火馬氏體，且組織未見異常。對57號葉片的斷口進行形貌分析，發現斷口處存在明顯的疲勞貝紋線，具有典型的疲勞斷裂特征。

綜上所述，低壓轉子末級葉片斷裂的原因主要是司太立合金與母材交界處結構上不連續，形成應力集中。在長期運行中，由于交變應力、應力集中及水蝕的共同作用，葉片產生疲勞裂紋，且疲勞裂紋逐漸擴展。當裂紋擴展到剩余面積不足以承擔最大疲勞載荷時，葉片發生斷裂。

4 結語

(1)汽輪機末級葉片小流量運行，造成葉片背部回流，加劇末級葉片的水蝕。小流量運行也容易使葉片產生顫振，進而導致葉片動應力增大，最終造成葉片損壞等問題。

(2)低壓轉子末級葉片的斷裂主要是因為司太立合金與母材交界處結構上不連續，形成應力集中。在長期運行中，葉片應力集中部位產生疲勞裂紋，水蝕加速了裂紋發展，最終導致葉片斷裂。

(3)更換新葉片時，應通過技術改造消除葉片局部應力集中，加強對新葉片的性能檢測，可延長葉片的使用壽命[3]。