某電廠600 MW機(jī)組次末級(jí)葉片開裂原因分析

裴玉冰，王天劍，范華

(東方汽輪機(jī)有限公司 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川德陽(yáng)，618000)

某電廠600 MW機(jī)組次末級(jí)葉片開裂原因分析

裴玉冰，王天劍，范華

(東方汽輪機(jī)有限公司 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川德陽(yáng)，618000)

文章通過(guò)化學(xué)分析、力學(xué)性能分析、金相組織分析、裂紋斷面分析等方法，對(duì)某電廠600 MW機(jī)組次末級(jí)葉片斷裂原因進(jìn)行了探討，分析結(jié)果表明：葉片出汽邊棱邊存在大量的Cl元素，且裂紋附近存在一個(gè)硬度比正常區(qū)域高的淬硬區(qū)域。因?yàn)槿~片存在局部硬化，在該位置會(huì)有較大的組織應(yīng)力，在腐蝕介質(zhì)的共同作用下，葉片最終以應(yīng)力腐蝕的形式開裂。

汽輪機(jī)，次末級(jí)葉片，開裂

0 前言

汽輪機(jī)動(dòng)葉片是汽輪機(jī)將汽流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為有用功的極其重要的部件。低壓缸次末級(jí)動(dòng)葉片的工作條件很復(fù)雜，除因高速旋轉(zhuǎn)和氣流作用承受較高的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力外，還因其處于濕蒸汽區(qū)內(nèi)工作而承受腐蝕和沖蝕作用。所以，在如此惡劣的工作環(huán)境下，會(huì)促使低壓缸次末級(jí)葉片出現(xiàn)開裂甚至斷裂等失效形式。

某電廠600 MW機(jī)組在大修時(shí)發(fā)現(xiàn)B低壓轉(zhuǎn)子電機(jī)側(cè)正向第6級(jí)動(dòng)葉片 （次末級(jí)動(dòng)葉片）有1條存在貫穿性裂紋。本文對(duì)該裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展原因做了詳細(xì)的分析。

1 開裂葉片情況

某電廠600 MW機(jī)組在大修時(shí)發(fā)現(xiàn)B低壓轉(zhuǎn)子電機(jī)側(cè)正向第6級(jí)動(dòng)葉片（1Cr12Ni2W1Mo1V）存在1條貫穿性裂紋。

次末級(jí)葉片裂紋存在的位置及裂紋宏觀形貌如圖1所示。該裂紋位于出汽邊距葉根平臺(tái)308 mm處。其裂紋長(zhǎng)度為40 mm，出汽邊裂紋開口寬度為0.5 mm。

圖1 次末級(jí)葉片宏觀形貌

2 開裂葉片性能檢測(cè)

2.1 化學(xué)成分

在葉根處取化學(xué)成分試樣，斷裂葉片材料為1Cr12Ni2W1Mo1V，按照GB/T 223進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，化學(xué)成分分析表明，葉片材料的元素含量符合GB/T 8732-2012的規(guī)定。

2.2 力學(xué)性能

在開裂葉片的葉身上取縱向拉伸試樣，葉根部位取縱向沖擊試樣。按照GB/T 228-2010在CMT4203型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，按照GB/T 229-2007在ZBC3302-B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按照GB/T 231-2009在HB-3000C型布氏硬度計(jì)上進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，除了硬度偏低以外其他性能都正常。

表1 次末級(jí)葉片化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果wt%

表2 低壓次末級(jí)葉片力學(xué)性能

2.3 金相組織

低壓次末級(jí)葉片葉根處取樣的金相組織如表3及圖2所示，金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 低壓次末級(jí)葉片葉根處取樣金相組織檢查結(jié)果

圖2 低壓次末級(jí)葉片葉根處取樣金相組織

3 開裂葉片斷面分析

為了觀察到裂紋開裂一面的形貌，現(xiàn)從距裂紋尖端1 mm的部位將裂紋切開。切口后的斷口用酒精進(jìn)行超聲波清洗。

圖3為裂紋斷面試樣的宏觀形貌，由圖可知，整個(gè)裂紋斷面由裂紋源區(qū)、快速撕裂區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)組成。距出汽邊棱邊3 mm處開始出現(xiàn)明顯的“人”字紋，為快速撕裂區(qū)域。距出汽邊棱邊約28 mm處出現(xiàn)明顯的疲勞貝紋線，為疲勞擴(kuò)展區(qū)。

圖3 裂紋斷面宏觀形貌

3.1 開裂葉片斷面掃描電鏡分析

圖4 裂紋源區(qū)SEM形貌

圖4為裂紋源區(qū)的掃描電鏡觀察。由圖可知，源區(qū)附近表面平坦，有反復(fù)摩擦的痕跡，應(yīng)為運(yùn)行過(guò)程中，由于葉片振動(dòng)等原因，開裂后裂紋上下兩半反復(fù)開合摩擦所致。由于裂紋表面摩擦較為嚴(yán)重，已經(jīng)看不到最初的形貌，但是，在源區(qū)上表面覆蓋層剝落的部分仍然可以看到沿晶開裂的形貌。在快速撕裂的 “人”字紋區(qū)域，存在向內(nèi)擴(kuò)展的二次裂紋， “人”字紋區(qū)域結(jié)束后有向源區(qū)收斂的疲勞貝紋線，如圖5所示。

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

在次末級(jí)葉片裂紋附近出汽側(cè)棱邊上發(fā)現(xiàn)疑似點(diǎn)蝕坑的凹坑，為了確定凹坑的性質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，位置及結(jié)果如圖6和表4所示。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，這些凹坑中存在Cl、Na、K、Ca等腐蝕性元素， 當(dāng)電位高于臨界電位時(shí)，這些元素的存在會(huì)在金屬表面形成點(diǎn)蝕坑。

圖6 1-1#斷口黑色覆蓋物能譜分析位置及結(jié)果

表4 斷口棱邊上的疑似點(diǎn)蝕坑的能譜分析結(jié)果wt%

3.2 次末級(jí)葉片硬度檢查

對(duì)斷面進(jìn)行HV硬度（10 kg）檢查，檢查結(jié)果如圖7所示。由圖可知，距進(jìn)汽邊約26 mm的范圍內(nèi)，硬度值比要求值顯著偏高，該區(qū)域的HV硬度值普遍大于400，而該葉片材料正常的布氏硬度值在293～331范圍內(nèi)，所以裂紋附近靠近出汽邊的范圍內(nèi)的硬度值遠(yuǎn)高于要求值。對(duì)比硬度異常區(qū)與正常區(qū)域的金相組織可知（見圖8），硬化區(qū)的金相組織晶粒度為8級(jí)，正常區(qū)域的金相組織晶粒度為5級(jí)，硬度高的區(qū)域比正常區(qū)域的金相組織更細(xì)。造成葉片出汽邊局部組織細(xì)化的原因是葉片磨削加工的過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的磨削熱，迅速地將葉片局部快速加熱到材料的相變溫度，并且該材料的淬透性優(yōu)異，空冷的情況下也可得到馬氏體，所以葉片出汽邊被局部升溫后以大于馬氏體相變臨界冷卻速度急速冷卻，從而得到局部的細(xì)晶馬氏體組織[1-2]。淬火過(guò)程中形成的相變應(yīng)力，以及細(xì)晶區(qū)和正常區(qū)域組織之間形成的組織應(yīng)力，使得裂紋附近有較大的拉應(yīng)力存在。

圖7 裂紋附近HV硬度檢查

圖8 淬硬區(qū)及正常區(qū)域金相組織對(duì)比

3.3 次末級(jí)裂紋尖端金相形貌

對(duì)裂紋試樣進(jìn)行金相組織觀察，由圖9可知，在垂直于主裂紋擴(kuò)展平面的方向上，有從主裂紋擴(kuò)展的2次裂紋，且均為沿晶裂紋，在出汽邊附近、平行于主裂紋的方向也有多條沿晶微裂紋。

圖9 出汽邊附近的微裂紋形貌

由表4的能譜分析結(jié)果可知，裂紋附近存在一定量的點(diǎn)蝕坑，其形成原因是Cl元素等腐蝕性介質(zhì)的存在，由圖7的硬度分析可知，在開裂位置存在較大的拉應(yīng)力，點(diǎn)蝕坑的存在易于造成應(yīng)力集中，環(huán)境因素與晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化，例如應(yīng)力腐蝕條件下晶界易于優(yōu)先腐蝕等，均促使沿晶斷裂產(chǎn)生。

4 分析及討論

從裂紋的掃描電鏡照片可以明顯看出，裂紋源區(qū)附近表面已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的表面磨損，但是仍然能夠在某些區(qū)域看到沿晶開裂特征。在沿晶開裂區(qū)域后，出現(xiàn)約25 mm長(zhǎng)的 “人”字紋快速撕裂形貌， “人”字紋的形成，應(yīng)與某一時(shí)刻出現(xiàn)的較大應(yīng)力有關(guān)，同時(shí)，由裂紋截面的金相組織照片可以看出，距出汽邊19 mm的范圍內(nèi)，從主裂紋上沿垂直于主裂紋的方向延伸出大量的二次沿晶裂紋，包括源區(qū)和 “人”字紋擴(kuò)展區(qū)均能看到。在腐蝕介質(zhì)的作用下，材料表面覆蓋層破裂，局部開始化學(xué)侵蝕，形成腐蝕坑或微裂紋，同時(shí)因腐蝕性介質(zhì)對(duì)晶界的選擇性腐蝕作用，造成了晶界結(jié)合力弱化，在應(yīng)力作用下，腐蝕坑或微裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生開裂、裂紋沿弱化的晶界擴(kuò)展，形成沿晶斷口特征[3～4]。因此，葉片開裂原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕，同時(shí)，在某次大應(yīng)力的作用下，應(yīng)力腐蝕開裂以快速擴(kuò)展的方式形成撕裂狀“人”字紋區(qū)域。

從裂紋試樣內(nèi)弧面的腐蝕宏觀金相以及HV硬度檢查得知，在出汽邊附近平行于主裂紋的方向存在多條沿晶裂紋，在葉片裂紋位置背弧面存在經(jīng)深腐蝕后顏色明顯異常的區(qū)域，該區(qū)域長(zhǎng)約26 mm，經(jīng)HV硬度檢查，其硬度大于HV400，從金相組織看，該區(qū)域的晶粒較正常區(qū)域細(xì)小，為局部淬硬組織。

因此，這種局部的淬硬組織與正常組織的差異會(huì)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，且在次末級(jí)葉片的運(yùn)行環(huán)境下存在大量的腐蝕介質(zhì)，導(dǎo)致了葉片腐蝕坑和晶界結(jié)合力的弱化，從而形成應(yīng)力腐蝕開裂，在振動(dòng)應(yīng)力和離心應(yīng)力的作用下，發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展。

5 結(jié)論

（1）葉片裂紋開裂形式為應(yīng)力腐蝕開裂，其開裂與葉片存在的局部硬化有直接關(guān)系；應(yīng)力腐蝕開裂的范圍包括了沿晶區(qū)和 “人”字紋擴(kuò)展區(qū)。

（2）裂紋以高周疲勞形式擴(kuò)展。

[1]莊杰真.磨削淬硬層及其均勻性研究［D］.廈門:集美大學(xué),2011.

[2]劉菊東,候達(dá)盤.磨削深度和原始組織對(duì)60鋼磨削淬硬層的影響 [C].機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)材料與表面技術(shù)研討會(huì), 2008.

[3]方棟,陳繼志,袁亞民,等.0Cr17Ni4Cu4Nb鋼鍛件延遲斷裂失效分析[J].材料開發(fā)與運(yùn)用,2007,22(4):44-46.

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

Cracking Analysis of 600 MW Steam Turbine Penultimate Stage Blade

Pei Yubing，Wang Tianjian，F(xiàn)an Hua

（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Through chemical composition analysis,mechanical property test,metallographic examination and fracture analysis,the reason of cracking on the penultimate stage blade is discussed,the result shows that lots of Cl is in trailing edge and the hardness of a small area near the crack is higher than that of normal area.This local quenching area has huge structural stress,under the combined action of corrosive medium,the blade is fractured by stress corrosion cracking.

steam turbine,penultimate stage blade,cracking

TG143

A

1674-9987（2017）01-052-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.011

裴玉冰 （1988-），女，碩士，工程師，畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系材料科學(xué)與工程專業(yè)，現(xiàn)就職于東方汽輪機(jī)有限公司材料研究中心，從事葉片材料的研發(fā)工作。