某電廠汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片開(kāi)裂的原因

陳志軍

(內(nèi)蒙古京寧熱電有限公司, 烏蘭察布 012000)

動(dòng)葉片是電站汽輪機(jī)將動(dòng)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的重要部件，其服役工況和受力狀態(tài)較為復(fù)雜。運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)葉片承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、離心等靜應(yīng)力以及蒸汽流所引起的激振應(yīng)力及熱應(yīng)力[1-2]，這對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片的材料性能和加工工藝要求較為苛刻。大量關(guān)于動(dòng)葉片失效的研究表明，大多數(shù)動(dòng)葉片主要因腐蝕、振動(dòng)、表面加工質(zhì)量差等原因?qū)е铝鸭y萌生，進(jìn)而引發(fā)疲勞失效[3-9]。在動(dòng)葉片制造過(guò)程中，鍛造溫度控制不當(dāng)和非金屬夾雜物易使動(dòng)葉片產(chǎn)生鍛造裂紋。

某電廠1號(hào)機(jī)組型號(hào)為N330-17.75/ 540/540，由某汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司制造，累計(jì)運(yùn)行45 000 h。在第二次揭缸檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)中壓轉(zhuǎn)子第8級(jí)動(dòng)葉片中一支葉片發(fā)生開(kāi)裂，裂紋位于出汽側(cè)的葉根端面，長(zhǎng)約為11 mm。中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片共12級(jí)，其中，第8級(jí)共有87支彎扭式葉片，材料為2Cr11NiMoNbVN鋼，葉根為中心鉚孔叉形，自鎖式圍帶。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件缺陷會(huì)給機(jī)組帶來(lái)極大的安全隱患，為了找出中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片開(kāi)裂的原因，筆者對(duì)開(kāi)裂葉片進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

如圖1所示，動(dòng)葉片上的裂紋平直、開(kāi)口細(xì)小，沿葉片軸線方向分布。葉片外表面未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷、結(jié)垢及腐蝕損傷等缺陷，也無(wú)易引起應(yīng)力集中的加工刀痕、缺口等缺陷。

圖1 汽輪機(jī)動(dòng)葉片的開(kāi)裂位置示意Fig.1 Schematic diagram of crack location of steam turbine moving blade

1.2 斷口分析

將葉片開(kāi)裂部位剖開(kāi)進(jìn)行觀察，如圖2所示，可見(jiàn)斷口齊平，未見(jiàn)明顯塑性變形，表面銹蝕嚴(yán)重，裂紋自葉根表面向基體方向擴(kuò)展。

圖2 動(dòng)葉片斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of moving blade fracture

采用掃描電鏡(SEM)，對(duì)清洗后的動(dòng)葉片原始斷口和沖擊試樣的斷口(簡(jiǎn)稱沖擊斷口)進(jìn)行觀察，如圖3所示。由圖3a)可見(jiàn)，原始斷口表面氧化嚴(yán)重，但局部仍有大量完整的晶粒，呈現(xiàn)較為清晰的沿晶斷裂形貌特征。由圖3b)可見(jiàn)，沖擊斷口呈現(xiàn)典型的解理斷裂形貌特征。

圖3 動(dòng)葉片斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of rotor blade fracture: a) original fracture; b) impact fracture

1.3 化學(xué)成分分析

用SPECTROMAXx型臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)開(kāi)裂動(dòng)葉片進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出,開(kāi)裂動(dòng)葉片中磷元素含量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732-2014 《汽輪機(jī)葉片用鋼》對(duì)2Cr11NiMoNbVN鋼的技術(shù)要求。

表1 動(dòng)葉片化學(xué)化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition test results of rotor blade

1.4 顯微組織觀察

在動(dòng)葉片開(kāi)裂處取樣進(jìn)行顯微組織觀察。由圖4可見(jiàn):葉片基體組織為回火馬氏體+少量δ鐵素體，δ鐵素體含量最高的區(qū)域未超過(guò)5%(體積分?jǐn)?shù)),未見(jiàn)1級(jí)或更粗的晶粒，組織基本正常；動(dòng)葉片主裂紋及分支裂紋均呈現(xiàn)枝杈狀沿晶開(kāi)裂的形貌；主裂紋及分支裂紋兩側(cè)的組織均存在明顯的全脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明裂紋形成溫度為高于AC3的鍛造階段[10]，呈現(xiàn)典型的鍛造裂紋特征。

圖4 開(kāi)裂動(dòng)葉片各部位的顯微組織Fig.4 Microstructure of each part of cracked rotor blade:a) matrix; b) main crack; c) branching crack

1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

從動(dòng)葉片開(kāi)裂處截取試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，動(dòng)葉片布氏硬度的實(shí)測(cè)值符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732-2014的技術(shù)要求，動(dòng)葉片的沖擊吸收功處于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限水平，韌性裕量不足。

表2 開(kāi)裂動(dòng)葉片的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Mechanical property test results of cracked rotor blade

2 分析與討論

中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片裂紋位于葉根端面平臺(tái)處，裂紋平直、開(kāi)口細(xì)小，沿動(dòng)葉片軸線方向分布，動(dòng)葉片表面無(wú)腐蝕和損傷痕跡，裂紋分布特征與汽輪機(jī)動(dòng)葉片運(yùn)行過(guò)程中形成的典型開(kāi)裂缺陷特征不相符。斷口微觀形貌顯示，斷口局部仍可以觀察到大量完整的晶粒，呈現(xiàn)較為清晰的沿晶開(kāi)裂特征。

開(kāi)裂動(dòng)葉片中磷的含量高于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。過(guò)量的有害元素磷會(huì)使動(dòng)葉片晶界處形成低熔點(diǎn)的共晶產(chǎn)物，在進(jìn)行鍛造等高溫?zé)峒庸み^(guò)程中動(dòng)葉片易沿晶界處發(fā)生開(kāi)裂。

顯微組織觀察顯示，動(dòng)葉片開(kāi)裂處的主裂紋及分支裂紋均呈現(xiàn)枝杈狀沿晶開(kāi)裂的形態(tài)，主裂紋及分支裂紋兩側(cè)的組織均存在明顯的全脫碳現(xiàn)象。在鍛造、軋制等熱加工過(guò)程中，材料表面在高溫環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)脫碳層，其形成和厚度主要受溫度和時(shí)間的影響。研究表明，在加熱過(guò)程中隨著加熱溫度的升高，材料脫碳層的深度不斷增加。當(dāng)溫度低于1 000 ℃時(shí)，材料表面氧化鐵皮阻礙碳的擴(kuò)散，脫碳速率比氧化的慢，隨著溫度的升高，氧化鐵皮形成速率增大，氧化鐵皮下碳的擴(kuò)散速率加快，此時(shí)氧化鐵皮失去保護(hù)能力，達(dá)到某一溫度后脫碳反而比氧化快[11]。而汽輪機(jī)運(yùn)行最高報(bào)警溫度為555 ℃，說(shuō)明該動(dòng)葉片裂紋不是在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中萌生的，而是在熱加工過(guò)程中由于鍛造工藝不當(dāng)而形成的。初始鍛造溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生過(guò)熱會(huì)弱化晶界，同時(shí)該動(dòng)葉片中有害元素磷的含量超標(biāo)，易在材料晶界處偏析形成低熔點(diǎn)共晶物，使得晶界更為薄弱，鍛造過(guò)程中的拉應(yīng)力超過(guò)晶界變形抗力時(shí)，便會(huì)沿晶開(kāi)裂[12-13]。

開(kāi)裂動(dòng)葉片的沖擊吸收功處于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限水平，韌性裕量不足，這與材料中有害元素磷含量偏高導(dǎo)致材料脆性增大有關(guān)。

3 結(jié)論及建議

(1) 1號(hào)汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片開(kāi)裂的主要原因?yàn)閯?dòng)葉片中磷含量超標(biāo)，形成的低熔點(diǎn)磷化物在晶界聚集。同時(shí)，初始鍛造溫度過(guò)高或保溫時(shí)間較長(zhǎng)，使得含有低熔點(diǎn)磷化物的晶界無(wú)法承受鍛造加工的拉應(yīng)力分量而在加工時(shí)發(fā)生沿晶開(kāi)裂。

(2) 針對(duì)動(dòng)葉片存在的原始缺陷，應(yīng)排查其他同類型葉片是否存在開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)于重要金屬監(jiān)督部件應(yīng)加強(qiáng)制造質(zhì)量監(jiān)督及安裝前檢驗(yàn)，對(duì)于動(dòng)葉片材料雜質(zhì)元素磷含量偏高、韌性裕量不足問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合機(jī)組檢修計(jì)劃做好檢驗(yàn)工作。