某電廠次次末級葉片斷裂原因分析

陳 嘯，張小伍，李興東

(1.哈爾濱創(chuàng)新投資有限公司，哈爾濱150001;2.哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司)

1 事故調(diào)查

某電廠機組在檢修過程中發(fā)現(xiàn)次次末級葉片在葉根第一齒處出現(xiàn)裂紋，裂紋起始于葉根出汽邊內(nèi)弧側(cè)第一齒的圓弧過渡區(qū)根部，向出汽邊方向擴展，葉片擴展區(qū)在背弧側(cè)，長度約為62mm，內(nèi)弧裂紋長度約為90mm。葉片的材質(zhì)為0Cr17Ni4Cu4Nb。在完成葉片開裂情況的整體檢查工作后，將這只葉片解剖，做斷口分析和材質(zhì)分析。

2 斷口分析

2.1 斷口宏觀分析

將斷裂葉片進行解剖觀察斷口形貌，斷口的宏觀照片如圖1所示，葉片葉根各個齒面的邊緣都有去尖角修圓的痕跡，但很不規(guī)則，個別地方形成小缺口，葉片裂紋起始處的修圓效果不好，留有尖角，是單疲勞源，在裂紋擴展區(qū)有清晰海灘花樣［1］，葉片的斷面已氧化，葉片斷面上有發(fā)藍的現(xiàn)象。

圖1 葉片的宏觀斷口照片

2.2 斷口微觀分析

在掃描電子顯微鏡下觀察葉片裂紋斷面，斷口裂紋源區(qū)和擴展區(qū)的微觀形貌見圖2。如圖2(a)所示，斷口有發(fā)散，收斂到斷口尖角處，斷口尖角處有一小劃面，清晰可見不規(guī)則的機械打磨的痕跡，此處為葉片斷裂源區(qū);由圖2(b)可見，擴展區(qū)貝紋線收斂于源區(qū)，斷面為單源疲勞斷口。斷口表面氧化嚴重，高倍下觀察可見覆蓋一層氧化皮。

圖2(a) 葉片斷口裂紋源區(qū)微觀形貌

3 材質(zhì)分析

3.1 化學(xué)成分分析

在斷裂葉片葉根處取樣，對葉片0Cr17Ni4Cu4Nb鋼進行化學(xué)成分分析，其分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))見表1。由表1可見，葉片的化學(xué)成分符合B/HJ419－2006中0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的技術(shù)要求。

圖2(b) 葉片斷口裂紋擴展區(qū)微觀形貌

3.2 硬度測試

在斷裂葉片上取試樣進行硬度測試，硬度結(jié)果為HB309和HB311。葉片鋼屈服強度等級為590Mpa，相對應(yīng)的硬度值規(guī)定為HB262～302，因此，測試結(jié)果表明斷裂葉片的硬度不符合B/HJ419－2006標準中的技術(shù)要求。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學(xué)成分 (w%)

3.3 金相組織

在葉片的斷口上取樣制備金相樣品，葉片的金相組織如圖3所示，葉片夾雜物評定結(jié)果為A1、B1.5、D0.5。葉片金相組織為回火馬氏體，晶粒度為5.5級，組織上有少許殘余奧氏體存在，葉片鋼的金相分析符合B/HJ419－2006標準中的技術(shù)要求。

圖3(a) 葉片的金相組織×100

圖3(b) 葉片的金相組織×500

4 綜合分析

從汽輪機機組運行過程中葉片的受力情況分析，葉根第一齒是葉片葉根處的最大受力面，齒面圓弧過渡區(qū)的根部即為葉片葉根處的應(yīng)力集中區(qū)。設(shè)計圖紙上明確要求對葉根齒面的邊緣進行打磨，但若打磨效果不佳，則不能很好地消除葉根齒面邊緣的尖角，甚至?xí)纬尚〉娜笨?，加劇葉根處的應(yīng)力集中效應(yīng)，葉片的裂紋形成壽命在使用壽命中占很大比重，上述因素嚴重損耗了葉片的裂紋形成壽命，導(dǎo)致葉片過早地產(chǎn)生疲勞裂紋進而發(fā)生斷裂［2］。

5 結(jié)論與建議

(1)葉片的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。裂紋源萌生于葉根齒面圓弧過渡區(qū)的應(yīng)力集中區(qū)，機械打磨形成的缺口是形成疲勞裂紋的主要原因。

(2)葉片硬度不符合B/HJ419－2006的技術(shù)要求。

(3)建議保證葉片葉根處去尖角修圓工藝過程的機械加工質(zhì)量。

［1］崔約賢，王長利.金屬斷口分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［2］孫志，江利，應(yīng)鵬展.失效分析－基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.