2Cr13鋼汽輪機葉片的開裂原因分析

王佩寧

(內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司, 通遼 029200)

2Cr13鋼汽輪機葉片的開裂原因分析

王佩寧

(內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司, 通遼 029200)

在電廠機組啟停和運行參數(shù)變化時，汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片易受到交變應力作用而發(fā)生開裂，影響汽輪機的安全運行。對某汽輪機發(fā)生開裂的葉片進行了金相檢驗、硬度測試、斷口分析和能譜分析，以確定葉片開裂的原因。結果表明：該開裂葉片材質(zhì)狀態(tài)正常，葉片開裂的原因為腐蝕疲勞，是由腐蝕環(huán)境和交變應力的共同作用導致的。

汽輪機；低壓轉(zhuǎn)子葉片；開裂；交變應力；腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是在腐蝕環(huán)境與交變載荷共同作用下發(fā)生的一種失效模式[1]。如果腐蝕介質(zhì)的作用和交變應力的作用不同時存在，則由此發(fā)生的失效行為不屬于腐蝕疲勞。腐蝕疲勞對環(huán)境介質(zhì)沒有特定的要求，并且通常不具備疲勞極限[2]?；痣姍C組在啟?；蜻\行參數(shù)變化時，處于腐蝕性環(huán)境的汽輪機葉片同時受到交變應力的作用[3-8]，因而極易產(chǎn)生腐蝕疲勞。

某電廠汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，主蒸汽壓力為8.83 MPa，主蒸汽溫度為535 ℃。機組檢修時，發(fā)現(xiàn)汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片存在裂紋。開裂葉片材料為2Cr13馬氏體不銹鋼，熱處理狀態(tài)為淬火+高溫回火，葉片長約800 mm，在內(nèi)弧進汽側(cè)偏葉頂方向有長約270 mm、寬約10 mm的沖蝕區(qū)域，越偏向葉頂方向沖蝕現(xiàn)象越嚴重，在沖蝕區(qū)域存在多處微裂紋(圖1)，最長處約10 mm。

圖1 低壓轉(zhuǎn)子葉片宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the low-pressure rotor blade

筆者對該開裂末級葉片進行了金相檢驗、硬度測試、斷口分析與能譜分析，討論了該葉片開裂的原因，可為準確判斷該類型汽輪機葉片的失效類型提供依據(jù)。

1 理化檢驗

1.1 金相檢驗

在葉片沖蝕區(qū)域的微裂紋處(圖1中方框處)取樣，分別編號為J1(縱截面試樣)和J2(內(nèi)弧側(cè)表面試樣)，取樣位置見圖2。采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗，侵蝕劑為三氯化鐵溶液。試樣的顯微組織形貌見圖3～6，由結果可見：各試樣的顯微組織均為回火馬氏體，組織未見異常；裂紋起裂于進汽側(cè)邊緣葉身內(nèi)弧面，縫隙寬窄不一，裂紋平直無分叉現(xiàn)象，尖端較圓鈍。

圖2 金相試樣取樣位置Fig.2 Sampling positions of metallographic specimens

圖3 J1試樣裂紋的低倍形貌Fig.3 Morphology of the crack in specimen J1 at low magnification

圖4 J1試樣裂紋的高倍形貌Fig.4 Morphology of the crack in specimenJ1 at high magnification

圖5 J1試樣基體的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the matrix in specimen J1

圖6 J2試樣基體的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the matrix in specimen J2

1.2 硬度測試

采用HVS-50型維氏硬度計對J1和J2試樣進行維氏硬度測試，試驗載荷為98 N，保壓時間為10 s，試驗結果見表1。由結果可知，各試樣的硬度均滿足DL/T 438-2016[5]對2Cr13馬氏體不銹鋼的硬度要求。

表1 維氏硬度測試結果

圖7 斷口源區(qū)形貌(清洗前)Fig.7 Morphology of the crack source region (before cleaning)

1.3 斷口分析

在葉片沖蝕區(qū)域截取裂紋試樣，并在液氮中將裂紋打開，在超聲波儀器中將斷口浸入丙酮進行清洗后，采用Fei Quanta 400HV型掃描電子顯微鏡對原始斷口進行觀察，斷口形貌見圖7。然后按照GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》[9]中推薦的斷口清洗方法，在超聲波儀器中用鹽酸水溶液對斷口進行酸洗，并對酸洗后的斷口再次進行觀察，斷口形貌見圖8～9。

圖8 斷口低倍形貌(清洗后)圖9 斷口疲勞擴展區(qū)(清洗后) Fig．8 Morphologyofthefracturesurfaceatlowmagnification (aftercleaning)Fig．9 Morphologyoffatigueextensionregion ofthefracturesurface(aftercleaning)

由結果可知，酸洗前斷口裂紋區(qū)域上整體覆蓋有附著物，有關斷裂機制細節(jié)不清晰；用鹽酸水溶液酸洗后依稀可見斷口裂紋區(qū)域存在可表征疲勞特征的貝殼線條紋，應為疲勞斷裂。

1.4 能譜分析

采用EDAX型能譜儀對試樣斷口裂紋區(qū)域進行微區(qū)成分半定量分析，分析部位如圖10所示，分析結果見表2。由能譜分析結果可以看出，斷口裂紋區(qū)域的成分主要是鐵的氧化物，并含有少量的鈉、鉀、硫、氯、銅等元素。

圖10 斷口能譜分析位置示意圖Fig.10 Illustration of locations of energy spectrum analysis of the fracture surface

表2 斷口能譜分析結果(質(zhì)量分數(shù)) %

2 分析與討論

2Cr13鋼屬于馬氏體不銹鋼，具有較高的韌性、冷變形性能、較好的耐腐蝕性能和熱強性能，特別是其減震性很好，該鋼常用于汽輪機低溫段長葉片、閥桿以及發(fā)電機模鍛風葉等。該開裂葉片裂紋平直、無分叉現(xiàn)象，裂紋尖端較圓鈍，裂紋斷口區(qū)存在少量的鈉、鉀、硫、氯、銅等元素，說明汽水中的少量雜質(zhì)及腐蝕性元素在此沉積聚集。在啟停和轉(zhuǎn)變工況等過程中(如過臨界轉(zhuǎn)速時)葉片會承受較大的交變應力，在裂紋斷口中部依稀可見有反映疲勞特征的貝紋線存在。

進入汽輪機系統(tǒng)的水汽如果存在腐蝕性成分，將產(chǎn)生腐蝕性環(huán)境；腐蝕性環(huán)境加速了疲勞過程的發(fā)展，并在開裂面形成腐蝕性產(chǎn)物；機組工況發(fā)生變化或啟停機時，由溫度波動導致的交變熱應力會在腐蝕性環(huán)境的輔助下導致葉片產(chǎn)生腐蝕疲勞。

綜上可知，該低壓轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)狀態(tài)正常，葉片開裂是由腐蝕和交變應力共同作用產(chǎn)生的腐蝕疲勞開裂所致。

3 結論及建議

綜上所述，該低壓轉(zhuǎn)子葉片的開裂為腐蝕疲勞開裂，是由腐蝕和交變應力共同作用產(chǎn)生的。

建議加強水質(zhì)監(jiān)督，減少腐蝕性環(huán)境的產(chǎn)生；在運行過程中避免急啟急停和工況的大幅變化，減小運行過程中的交變應力。

[1] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013:143.

[2] 王德尊.金屬力學性能[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1993:226.

[3] 陳運遠,林振坤.汽輪機葉片材料2Cr13的腐蝕疲勞[J].機械工程材料,1981,5(1):36-41.

[4] 徐加勛.汽輪機葉片材料的腐蝕疲勞[J].動力工程,1985(6):49-53.

[5] 黎華,盧忠銘,劉課秀,等.火電廠汽輪機葉片開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2017,53(3):197-200.

[6] 石順梅.某熱電廠低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(8):578-583.

[7] 楊健,孫智君.某航空發(fā)動機渦輪葉片的斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(8):538-542.

[8] DL/T 438-2016 火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程[S].

[9] GB/T 16545-2015 金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除[S].

Analysis on Cracking Reasons of 2Cr13 Steel Turbine Blades

WANG Peining

(Inner Mongolia HMHJ Aluminium Electricity Co., Ltd., Tongliao 029200, China)

Cracking often happened to last-stage blades of low-pressure turbine rotors due to the alternating stress during the process of starting, stopping and changing of working parameters in power plants, which threatened the safe operation of turbines. The cracking turbine blade was analyzed to make sure the cracking reasons by metallographic examination, hardness testing, fracture analysis and energy spectrum analysis. The results show that: the material of the cracking blade was qualified, and the cracking reason was the corrosion fatigue caused by the combined action of corrosion environment and alternating stress.

turbine; low-pressure rotor blade; cracking; alternating stress; corrosion fatigue

質(zhì)量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705015

2017-01-17

王佩寧(1973-)，男，工程師，主要從事金屬技術監(jiān)督工作，13947548968@163.com

TG162.71; TG115.2

B

1001-4012(2017)05-0368-03