600 MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子葉片裂紋分析

常慶東，王強(qiáng)，夏明松，李治發(fā)

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院，寧夏銀川750000;2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710032;3.華能武漢發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北武漢430415;4.華能重慶珞璜發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶402283)

600 MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子葉片裂紋分析

常慶東1，王強(qiáng)2，夏明松3，李治發(fā)4

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院，寧夏銀川750000;2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710032;3.華能武漢發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北武漢430415;4.華能重慶珞璜發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶402283)

針對某臺600MW亞臨界參數(shù)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的末三級葉片(2Cr12NiMo1W1V鋼)出汽側(cè)裂紋進(jìn)行了宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、金相組織分析、室溫沖擊韌性試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)，并對斷口進(jìn)行了掃描電鏡及能譜分析。結(jié)果表明:此次開裂的低壓轉(zhuǎn)子葉片，是由于其化學(xué)成分Mo元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致材料的KISCC降低，以及硬度偏低造成裂紋擴(kuò)展所需的外界啟動應(yīng)力降低，進(jìn)而在運(yùn)行過程中拉應(yīng)力和濕蒸汽的氧化腐蝕共同作用下，發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

葉片裂紋;應(yīng)力腐蝕;2Cr12NiMo1W1V;蝕坑;KISCC

0 引言

2Cr12NiMo1W1V馬氏體型不銹鋼是在國外12Cr型不銹鋼基礎(chǔ)上，調(diào)整C、W、Ni和Mo元素含量而研制出的國產(chǎn)化鋼種，具有良好的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能，多用在高溫螺栓和200MW以上汽輪機(jī)末級葉片等部件［1－3］。

某臺600MW亞臨界汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù):主蒸汽壓力為16.67MPa，再熱蒸汽進(jìn)口壓力為3.00MPa;主蒸汽溫度為538℃，再熱蒸汽進(jìn)口溫度為538℃。2012年6月機(jī)組檢修時，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)1號低壓轉(zhuǎn)子的葉片出汽側(cè)存在裂紋，為查找斷裂的原因，對失效葉片進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 宏觀觀察

檢查發(fā)現(xiàn)，此次產(chǎn)生裂紋的葉片為低壓轉(zhuǎn)子末三級汽輪機(jī)葉片，葉根為樅樹型，葉片長度272mm，該葉片材質(zhì)為2Cr12NiMo1W1V。

觀察發(fā)現(xiàn)，葉片裂紋位于靠近出氣側(cè)葉片邊緣處，長度約為13mm，裂紋方向垂直于葉片的長度方向，深度貫穿葉片厚度，距葉根處165mm;裂紋一端止裂于葉片邊緣，另一端止裂于葉片中部位置?？拷~根處葉片存在變形，該變形為拆卸所致，其余部位的表面光潔平整，未發(fā)現(xiàn)變形損傷。

2 金相分析

選取靠近葉片中部的裂紋尖端處制取金相試樣，金相面平行于葉片表面。金相試樣依次經(jīng)過砂紙預(yù)磨和機(jī)械拋光后，選用HCl+FeCl3水溶液浸蝕，金相組織見圖1和圖2。

圖1 裂紋處低倍形貌(50×)

圖2 裂紋尖端及吐片金相組織(500×)

金相組織為回火馬氏體+碳化物，晶粒度13～13.5級，符合GB/T8732－2004［3］的要求。裂紋處金相組織與遠(yuǎn)離裂紋的葉片金相組織無明顯差異，晶內(nèi)和晶界處析出相較少，爆口裂紋尖端的主裂紋分叉明顯，并伴隨有次生裂紋，裂紋沿晶界擴(kuò)展，主裂紋垂直于拉應(yīng)力方向，裂紋的中段開裂較寬、邊緣較圓滑，且內(nèi)有填充物，具有蝕坑的形貌，是應(yīng)力腐蝕開裂的典型特征。

3 化學(xué)成分分析

依據(jù)《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》(GB/ T223)［4］，分別在該汽輪機(jī)葉片的進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果%

根據(jù)《汽輪機(jī)葉片用鋼》(GB/T 8732－2004)［3］中對2Cr12NiMo1W1V鋼化學(xué)成分的要求，以及GB/T 222－2006［5］中對不銹鋼和耐熱鋼成品化學(xué)成分允許偏差的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從結(jié)果中可知:樣品中的C、Mn、Mo元素含量均低于該種鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，樣品中其余元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

C和Mn元素含量偏低減弱了鋼的固溶強(qiáng)化效果，導(dǎo)致在原有熱處理工藝下葉片材料強(qiáng)度和硬度的降低;Mo元素可以提高材料的熱強(qiáng)性和應(yīng)力腐蝕的門檻值(KISCC)，故葉片材質(zhì)中Mo元素含量偏低，增加了材料應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性［8］。從理論上講，應(yīng)力強(qiáng)度因子不超過應(yīng)力腐蝕的門檻值，裂紋是不會擴(kuò)展，但由于葉片材質(zhì)化學(xué)成分Mo元素含量的偏低導(dǎo)致了KISCC的下降，使得葉片運(yùn)行過程中的應(yīng)力超過了該葉片的KISCC，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋源，裂紋垂直于拉應(yīng)力方向擴(kuò)展。

4 沖擊韌性及硬度試驗(yàn)

按照《金屬夏比缺口試驗(yàn)方法》(GB/T229－2007)要求［6］，在該汽輪機(jī)葉片上，沿著葉片長度方向上(試樣長度方向平行于葉片長度方向)的不同部位制取V型缺口試樣，進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，該葉片試樣的沖擊韌性符合GB/T8732－2004［3］的要求。

按照《金屬布氏硬度試驗(yàn)》(GB/T231－2009)的要求［7］，對葉片試樣進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表3。從表3可知，該葉片取樣硬度均低于《汽輪機(jī)葉片用鋼》(GB/T8732－2004)的要求。

表2 沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

表3 布氏硬度測試結(jié)果

葉片硬度偏低間接反映出材料強(qiáng)度的不足，進(jìn)而降低了裂紋開啟所需的外界臨界啟動應(yīng)力，導(dǎo)致在相對較小的應(yīng)力作用下即產(chǎn)生開裂。

5 掃描電鏡及能譜分析

掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對斷口及裂紋尖端的金相樣品進(jìn)行微觀形貌及能譜分析，如圖3和圖4所示。

圖3 斷口SEM形貌

圖4裂紋尖端SEM形貌

圖3 所示為該葉片裂紋斷口在掃描電鏡下的形貌，呈冰糖狀、整體較平直、無塑性變形，表明材料斷裂機(jī)制為沿晶斷裂，斷口為脆性斷口。該裂紋靠近葉片進(jìn)汽側(cè)一端的斷口相對略顯光滑(圖3中斷口右側(cè)區(qū)域)，根據(jù)應(yīng)力腐蝕的機(jī)理，裂紋源在最早出現(xiàn)在因應(yīng)力集中而產(chǎn)生滑移變形造成鈍化膜破裂的位置，說明此處開裂較早，為裂紋源所在位置。隨著腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入，鈍化膜破裂處發(fā)生陽極溶解，形成蝕坑，進(jìn)而又在蝕坑周圍鈍化;而在機(jī)組運(yùn)行過程中拉應(yīng)力作用下，蝕坑底部的應(yīng)力集中使鈍化膜再次破裂，這時產(chǎn)生新的活性陽極區(qū)繼續(xù)溶解、鈍化、滑移、破裂，周而復(fù)始循環(huán)下去，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕不斷向開裂前沿發(fā)展，造成縱深的裂紋，因此裂紋擴(kuò)展部位較為粗糙，有腐蝕形貌特征(圖3中斷口左側(cè)區(qū)域)。此外，裂紋源處沒有向外輻射的放射臺階和放射狀條紋，斷面上沒有疲勞貝紋線，不具有疲勞斷裂的宏觀特征［8－10］。

圖4所示為裂紋尖端的微觀形貌，可以看出裂紋中段存在蝕坑。對蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS分析(見表4及圖5)，可以得出腐蝕產(chǎn)物中O元素含量很高(Cl元素為金相侵蝕所致)。同時對比微裂紋旁的基體EDS分析結(jié)果，可以得出腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物。

表4 裂紋尖端EDS分析結(jié)果%

圖5 裂紋蝕坑內(nèi)及裂紋旁基體EDS分析位置

6 結(jié)語

此次開裂的低壓轉(zhuǎn)子葉片，是由于其化學(xué)成分Mo元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致材料的KISCC降低，以及硬度偏低造成裂紋擴(kuò)展所需的外界啟動應(yīng)力降低。該葉片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受離心拉應(yīng)力超過了材料的KISCC，并在濕蒸汽的氧化腐蝕共同作用下，發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋源位于蝕坑處，裂紋垂直于拉應(yīng)力方向擴(kuò)展。

［1］蔡正德.2Cr12NiMo1W1V汽輪機(jī)葉片用鋼的熱處理實(shí)踐［J］.中國化工裝備，2003，(1):30－33.

［2］張遠(yuǎn)，王梅英.2Cr12NiMo1W1V鋼螺栓斷裂原因分析［J］.機(jī)械工程師，2010，(1):142－143.

［3］GB/T 8732－2004，汽輪機(jī)葉片用鋼［S］.

［4］GB/T 223，鋼鐵及合金化學(xué)分析方法［S］.

［5］GB/T 222－2006，鋼的成品化學(xué)成分允許偏差［S］.

［6］GB/T 229－2007，金屬夏比缺口沖擊實(shí)驗(yàn)方法［S］.

［7］GB/T 231－2009，金屬布氏硬度試驗(yàn)［S］.

［8］姜求志，王金瑞.火力發(fā)電廠金屬材料手冊［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［9］董俊明，潘希德，戚繼皋，等.微合金元素對焊縫金屬應(yīng)力腐蝕破裂性能的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，1998，(S1):.

［10］訾壯輝，王梅英.某電廠600 MW機(jī)組葉片斷裂分析［J］.理化檢驗(yàn)(物理分冊)，201，46(7):459－461.

Failure analysis of blade crack of low－pressure rotor of 600 MW units

According to the crack of the turbine blade，macroscopic morphology observation，metallographic analysis，hardness testing，impact toughness testing and scanning electron microscope analysis with energy spectrum were used in this research.It has been found that the chemical composition of Mo do not meet standard，then it reduces the KISCC，and the hardness of the turbine blade is less than standard，which reduces the required of externally initiated stress for crack extending.Therefore，because of the tension stress and the oxidation corrosion in the running of the turbine，stress corrosion cracking occurred in the blade.

crack of turbine blade;stress corrosion;2Cr12NiMo1W1V;etch pit;KISCC

TK223.3

B

1674－8069(2015)01－060－03

2014-09-12;

2014-12-24

常慶東(1983-)，男，工程師，陜西子洲人，主要從事火電廠技術(shù)監(jiān)督評價、金屬監(jiān)督、鍋爐壓力容器檢驗(yàn)等工作。E－mail:cqd19830420@163.com