600MW超臨界機組低壓轉子葉片開裂分析

秦承鵬，李梁

（西安熱工研究院有限公司，西安710032）

600MW超臨界機組低壓轉子葉片開裂分析

秦承鵬，李梁

（西安熱工研究院有限公司，西安710032）

通過宏觀形貌檢查、化學成分分析、力學性能試驗、金相組織檢驗、掃描電鏡及能譜分析等對某600MW超臨界機組汽輪機低壓轉子開裂的1Cr12Mo制次次末級葉片進行了試驗分析。結果表明：葉片材料塑性偏低、沖擊韌性較差，在高速運行中離心力形成的拉應力和蒸汽中Cl－、S2－等腐蝕介質的共同作用下，裂紋在應力集中的蝕坑部位萌生，然后從葉片出汽側向葉片中部橫向擴展，最終導致葉片發(fā)生應力腐蝕開裂。

汽輪機；低壓轉子；葉片；1Cr12Mo；應力腐蝕

某電廠6號機組汽輪機為國產引進技術，由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產制造。汽輪機為600MW超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，型號為CLN600-24.2／566／566。電廠在機組例行檢修時，發(fā)現該機組汽輪機1、2號低壓轉子次次末級葉片存在多處裂紋。該機組自投產至發(fā)現葉片開裂已累計運行約41 000 h，其間運行參數正常。

葉片材料為1Cr12Mo鋼。1Cr12Mo鋼是一種含12％（質量分數，下同）Cr的馬氏體耐熱不銹鋼，它是在美國AISI 403鋼的基礎上適當提高Mo元素的含量以抑制其回火脆性改進研制而成，具有較高的室溫強度，較高的韌性和冷變形能力，較高的熱強性和耐蝕性［1-4］。為查明葉片開裂原因，避免事故發(fā)生，本工作對開裂的葉片進行了試驗分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌檢查

由圖1可見，裂紋位于葉片出汽側，距離葉根150 mm，開裂長度約20 mm。由圖2可見，葉片出汽側存在1處直徑2 mm，深1.5 mm的蝕坑，裂紋起裂部位位于蝕坑底部，沿葉片橫向由出汽側向內擴展，即裂紋擴展方向垂直于葉片高速運轉過程中的離心拉應力方向。

1.2 化學成分分析

根據GB／T 223－2008《鋼鐵及合金化學成分分析方法》對送檢的葉片進行濕法化學成分分析，結果見表1。由表1可見，葉片化學成分基本符合GB／T 8732－2004標準的要求。

表1 葉片化學成分分析結果（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 1Cr12Mo steel（mass）％

1.3 室溫拉伸試驗

在葉根部位制取?5 mm的縱向圓棒拉伸試樣，依照GB／T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》在SANS CMT5205型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，結果見表2。

表2 室溫拉伸試驗結果Tab.2 Results of room temperature tensile test

由表2可知，葉片的室溫拉伸性能滿足GB／T 8732－2004的相關要求，但斷后伸長率已接近標準下限值，說明其塑性較差。

1.4 沖擊試驗

在葉身處制取沖擊試樣，依照GB／T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》在RTP450型試驗機上進行沖擊試驗。結果表明，葉片材料的沖擊吸收能量KV2為32 J，遠低于標準GB／T 8732－2004對1Cr12Mo鋼沖擊吸收能量KV2≥78 J的要求，可見該葉片的沖擊韌性較差。

1.5 硬度試驗

按照標準GB／T 231－2009在HB-3000C型布氏硬度試驗機上對葉片試樣進行硬度檢驗，采用?5 mm的硬質合金小鋼球，試驗力7.5 k N，保持時間12 s，結果見表3。由表3可見，葉片的硬度滿足標準要求，但接近標準上限值。

表3 硬度試驗結果Tab.3 Results of hardness test HBW

1.6 金相組織檢驗

從葉片開裂部位取樣，按照DL／T 884－2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》制備金相試樣，采用FeCl3+HCl水溶液浸蝕，依據GB／T 13299－1991《鋼的顯微組織評定方法》在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下觀察試樣的金相組織。由圖3～4可見，葉片基體組織為回火馬氏體，未發(fā)現鐵素體、黑色晶界、粗晶等異常組織，金相組織正常。葉片主裂紋垂直于葉片拉應力方向沿晶界擴展，裂紋尖端的主裂紋分叉明顯，并伴隨有次生裂紋。

1.7 掃描電鏡觀察及能譜分析

由圖5可見，裂紋源位于葉片出汽側邊緣的蝕坑處，裂紋萌生后在應力作用下沿葉片橫向擴展，裂紋源處未見明顯的疲勞貝紋線［5］，裂紋擴展區(qū)域斷口呈冰糖狀形貌，且存在大量的沿晶二次裂紋，表明葉片開裂部位是裂紋沿晶界擴展造成的脆性開裂。

采用Fei Quanta400 HV型掃描電子顯微鏡（SEM）及其附帶的能譜儀（EDS）對已開裂部位斷口進行能譜分析，結果見圖6和表4。由圖6和表4可見，裂紋尖端的原奧氏體晶界處出現了Cl、S等腐蝕性元素的富集。而Cl、S等腐蝕性元素在晶界處的富集會造成晶界結合強度降低，導致裂紋容易在晶界處萌生并沿晶界擴展。

由圖7可見，除斷口兩側邊緣部位具有韌性斷裂特征外，80％以上面積的斷口無明顯塑性變形，呈沿晶脆性斷裂特征，可見該葉片材質呈脆性狀態(tài)。同時，沖擊斷口的沿晶斷裂特征亦表明該葉片材料的晶界強度明顯低于晶內強度，晶界存在弱化。

表4 能譜分析結果（質量分數）Tab.4 The results of the energy spectrum analysis（mass）％

2 分析與討論

次次末級葉片主要承受由于葉片高速運行過程中離心力產生的沿葉片縱向的拉應力。通常狀態(tài)下，1Cr12Mo不銹鋼具有良好的耐蝕性，表面會形成一層致密穩(wěn)定的氧化保護膜，但是當蒸汽中含有Cl－、S2－等腐蝕離子時，葉片表面的保護膜會受到侵蝕并且很快向縱深方向發(fā)展，使葉片產生腐蝕坑［6］。而葉片蝕坑的存在更容易造成Cl－、S2－等腐蝕性離子富集且減小葉型截面積，影響葉片的振動特性，從而造成更大的應力集中。該汽輪機次次末級葉片前后均布置有抽汽口，蒸汽濕度大且葉片經過抽汽口時不可避免地會因蒸汽壓力的突變產生振動，此種振動會進一步加劇蝕坑部位的應力集中程度。

該葉片材料的斷后伸長率接近標準下限，硬度接近標準上限，沖擊吸收能量遠低于標準要求，沖擊斷口為沿晶脆性斷裂形貌，可見該葉片材料強度高、塑韌性較差，材料性能欠佳。

該葉片在拉應力及腐蝕性離子的共同作用下，裂紋在蝕坑處萌生并以沿晶方式垂直于拉應力方向由出汽側向內逐步擴展，最終導致葉片發(fā)生應力腐蝕開裂。

3 結論

（1）該汽輪機次次末級葉片1Cr12Mo鋼的強度高、塑韌性較差，沖擊吸收能量遠低于標準要求，材料性能欠佳；

（2）在拉應力和蒸汽中Cl－、S2－等腐蝕性離子的共同作用下致使該葉片發(fā)生應力腐蝕開裂。

［1］ 袁達，方順發(fā).1Cr12Mo鋼的高溫回火脆性研究［J］.熱處理，2008，23（4）：35-39.

［2］ 林超光.汽輪機葉片用1Cr12Mo鋼的化學成分和熱處理［J］.熱處理，2014，29（3）：47-53.

［3］ 王乾峰，夏志龍.汽輪機葉片用1Cr12Mo鋼成分與熱處理工藝對沖擊韌度的影響［J］.熱處理，2007，22（4）：19-23.

［4］ 徐增華.金屬耐蝕材料第五講馬氏體不銹鋼［J］.腐蝕與防護，2001，22（5）：229-231.

［5］ 吳劍.不銹鋼的腐蝕破壞與防蝕技術——（五）腐蝕疲勞［J］.腐蝕與防護，1997，18（6）：37-40.

［6］ 姜濤，于洋.從失效案例探討不銹鋼的應力腐蝕問題［J］.腐蝕與防護，2011，32（4）：297-300.

Damage Analysis of Low-Pressure Rotor Blade of 600MW Supercritical Unit

QIN Cheng-peng，LI Liang
（Xi′An Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710032，China）

The damaged third last stage blade made of 1Cr12Mo martensite stainless steel of low-pressure rotor in a 600MW supercritical steam turbine was analyzed by series of tests such as macro-appearance inspection，chemical composition analysis，mechanical property testing，scanning electron microscopy and energy spectrum analysis.The results show that the impact toughness and ductility of 1Cr12Mo blade is poor.Under the combined action of blade centrifugal tensile stress and corrosion medium containing Cl－and S2－，the crack was initiated at the blade corrosion pit and then extended along the transversal blade from blade steam outlet side，at last resulted the blade stress corrosion cracking.

steam turbine；low-pressure rotor；blade；1Cr12Mo；stress corrosion

TG174

：B

：1005-748X（2016）11-0936-03

10.11973／fsyfh-201611018

2015-09-03

秦承鵬（1985－），工程師，碩士研究生，主要從事火力發(fā)電廠鍋爐壓力容器檢驗、金屬監(jiān)督及電站部件失效分析等工作，029-82002713，qinchengpeng＠tpri.com.cn