汽輪機葉片斷裂原因分析

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(東風商用車有限公司 技術中心, 十堰 442001)

汽輪機葉片斷裂原因分析

付星星,張梅,盧柳林

(東風商用車有限公司 技術中心, 十堰 442001)

某熱電廠汽輪機組擴容檢修時發(fā)現末級葉片出現早期斷裂的質量問題。采用斷口分析、金相檢驗、化學成分分析、表面硬化層工藝分析等方法，對汽輪機葉片的斷裂原因進行了分析。結果表明：該汽輪機葉片的失效機理為疲勞斷裂，葉片表面硬化層存在裂紋、氣孔、局部未硬化等缺陷，降低了葉片的耐沖蝕能力，是葉片發(fā)生早期疲勞斷裂的主要原因。

汽輪機；末級葉片；斷裂；表面硬化層；沖蝕

汽輪機低壓末級葉片在濕蒸汽區(qū)工作，高速運行的葉片長期受濕蒸汽中的水滴沖刷，致使葉頂處進氣側發(fā)生嚴重沖蝕，使低壓末級葉片成為汽輪機運行中最不可靠的零件之一[1-3]。

某熱電廠汽輪機進行擴容升級改造，裝機容量從50 MW提升到了60 MW，葉片材料也從2Cr13不銹鋼更換為2Cr12MoV不銹鋼，但在改造15個月后的檢修中發(fā)現該機組末級葉片發(fā)生斷裂，如圖1所示。筆者對斷裂的兩件汽輪機葉片(1號、2號)進行了一系列理化檢驗和分析，并與使用后未斷裂的葉片(3號)和未使用葉片(4號)進行了對比，調查分析了其失效原因，以避免類似失效事件的再發(fā)生。

圖1 汽輪機葉片的實物形貌Fig.1 Physical appearance of steam turbine bladesa)fractured part of No.1 blade; b) No.2-4 blades

1 理化檢驗

1.1 斷口分析

圖2 1號、2號葉片斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of No.1 and No.2 blades

圖2為1號和2號斷裂汽輪機葉片斷口的宏觀形貌。1號葉片斷口可見黃色的銹蝕痕跡及部分黑色物質，根據斷面形貌明顯分為兩個區(qū)域：靠近進氣側的斷面較為平坦，為疲勞區(qū)；余下區(qū)域斷面較粗糙[4]。2號葉片斷口宏觀上未見明顯的銹蝕，其斷面形貌與1號的類似，靠近進氣側的斷口較為平整，隱約可見疲勞弧線，為疲勞斷裂特征，且斷裂源位于進氣側的邊緣部位。

利用掃描電子顯微鏡對1號和2號葉片斷口的疲勞擴展區(qū)進行觀察，如圖3所示， 可見1號葉片的斷口上覆蓋著一層氧化物質。通過上述分析可知，1號和2號葉片的斷裂形式類似，1號葉片的斷面腐蝕嚴重，不便于進一步分析，因此重點對2號葉片的斷裂原因進行分析。

圖3 葉片斷口疲勞擴展區(qū)的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fatigue extension area of fracture surface of the blades:a) No.1 blade; b) No.2 blade

2號葉片的斷裂源位于進氣側的邊緣，利用掃描電子顯微鏡對2號葉片的斷裂源進行分析。如圖4所示，在斷裂源處可見類似沖蝕坑的缺陷，放大觀察可見此坑呈喇叭狀，外大內小，坑內覆蓋一層氧化物，在沖蝕坑內部尾端發(fā)現一個類似氣孔的缺陷。

圖4 2號葉片的斷裂源區(qū)形貌Fig.4 Morphology of fracture source area of No.2 blade

為了進一步查找2號葉片斷口源區(qū)處存在的“沖蝕坑”的原因，下面對2號葉片斷口源區(qū)的側面，也就是葉片進氣邊進行分析。從宏觀來看，2號、3號及4號葉片在易出現沖蝕的進氣側進行了表面局部強化，強化后的表面粗糙，如圖5所示。2號葉片進氣側靠近邊緣處存在呈條帶狀分布的沖蝕坑群，越靠近斷裂源處的沖蝕坑深度越深。3號葉片進氣側邊緣處也存在類似的沖蝕坑群。4號葉片的表面強化形貌較為粗糙，類似砂粒均勻地堆積在一起。

圖6 葉片進氣側表面形貌Fig.5 Surface morphology of air inlet side of the blades:a) No.2 blade; b) No.3 blade; c) No.4 blade

利用掃描電子顯微鏡對2號葉片進氣側的表面進行觀察，在斷裂源區(qū)側面可見大量的蜂窩狀沖蝕坑，沖蝕坑深度較深，如圖6a)所示，遠離斷口區(qū)域可見少量沖蝕坑，沖蝕坑深度較淺，如圖6b)所示。

圖6 2號葉片進氣側的沖蝕坑形貌Fig.6 Morphology of erosive pittings of air inlet side of No.2 blade:a) the fracture flank; b) away from the fracture area

1.2 金相檢驗

通過斷口分析可以推斷出，2號葉片的疲勞斷裂可能與葉片進氣側的沖蝕現象有關，而所有葉片為了防止沖蝕均在進氣側進行了局部表面強化，為此需要對葉片表面強化與沖蝕之間的關系進行分析。

圖7 2號葉片的硬化層形貌Fig.7 Morphology of hardened layer of No.2 blade

在2號葉片斷口附近取樣(方向與斷面平行)進行金相檢驗，如圖7所示，可見2號葉片的硬化層呈半月狀，且存在未硬化的表面，未硬化表面存在明顯的鋸齒狀沖蝕現象。硬化層以半月狀相互搭接，硬化層表面未見明顯的沖蝕現象，但可見細小裂紋，硬化層內可見氣孔，如圖8所示。

圖8 2號葉片硬化層裂紋和氣孔形貌Fig.8 Morphology of cracks and porosity in hardened layer of No.2 blade

對3號葉片取樣進行金相檢驗，如圖9所示，3號葉片的硬化層不均勻，也存在未硬化區(qū)域，且未硬化區(qū)域可見明顯的沖蝕現象。

對4號葉片取樣進行金相檢驗，如圖10～11所示，可見4號葉片表面部分區(qū)域未硬化，硬化層表面高低不平，且存在較多的裂紋及氣孔缺陷。

圖9 3號葉片未硬化區(qū)的沖蝕形貌Fig.9 Morphology of water erosion in non-hardened area of No.3 blade

圖11 4號葉片硬化層裂紋及氣孔形貌Fig.11 Morphology of cracks and porosity in hardened layer of No.4 blade

圖10 4號葉片未硬化區(qū)形貌Fig.10 Morphology of non-hardened area of No.4 blade

圖12 葉片的顯微組織形貌Fig.12 Microstructure morphology of the blades

2號、3號和4號葉片基體的顯微組織均為回火索氏體，見圖12。

1.3 化學成分分析

對2號和4號葉片進行化學成分分析，結果如表1所示，其中4號葉片釩元素含量略微超過標準值，但仍在GB/T 222-2006中表3的允許偏差范圍內，葉片其余化學成分均符合GB/T 8732-2014《汽輪機葉片用鋼》對2Cr12MoV不銹鋼成分的要求。

表1 2號和4號葉片的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of No.2 and No.4 blades (mass fraction) %

1.4 表面硬化層工藝分析

由于汽輪機葉片的技術保密原因，葉片表面強化的工藝技術條件未知，為此對汽輪機葉片進氣側邊緣的局部表面硬化層進行分析。

(1) 從硬化層的表面形貌來分析，硬化層表面粗糙，呈銀灰色的橘皮狀或魚鱗狀特征。

(2) 從硬化層的顯微組織來分析：經三氯化鐵鹽酸溶液侵蝕后，硬化層呈白亮狀，具有較高的耐腐蝕性；同時硬化層不均勻，最深處深度達到450 μm，最淺處幾乎無硬化層，硬化層中存在微裂紋及氣孔缺陷；硬化層的硬度約為550 HV0.5，而葉片基體的硬度約為300 HV0.5。

(3) 從硬化層的斷口來分析：硬化層斷口形貌呈枝晶狀，見圖13；在高倍下觀察，可見均勻分布的灰色球狀小顆粒，見圖14；利用X射線能譜儀對硬化層和葉片基體的斷口分別進行能譜分析，結果如圖15～16所示，可見硬化層斷口的主要元素成分為鐵、鎢、鉻、銅、硫、氧、碳等，葉片基體斷口的主要元素成分為鐵、錳、鉻、銅、硅、氧、碳等；利用X射線能譜儀對葉片斷口從心部至邊緣進行線掃描，如圖17所示，靠近邊緣100～200 μm處斷面的鎢、碳元素含量較其他區(qū)域的要高，而此區(qū)域的鐵元素含量明顯較低。

綜合上述分析可以推斷，該汽輪機葉片所使用的表面強化工藝可能為電火花表面強化，利用含有碳化鎢的硬質合金作為電極材料，通過電火花放電作用，把作為電極的導電材料熔滲進入金屬工件的表層，從而形成高硬度、高耐磨性、耐腐蝕的硬化層[5-7]。所有葉片均發(fā)現硬化層不均勻的現象，部分區(qū)域未能硬化，同時硬化層存在微裂紋及氣孔缺陷。

圖13 2號葉片斷口硬化層的枝晶形貌Fig.13 Dendrite morphology of hardened layer in fracture zone of No.2 blade

圖15 2號葉片斷口硬化層能譜Fig.15 Energy spectrum of hardened layer in fracture zone of No.2 blade

圖14 2號葉片斷口硬化層微觀形貌Fig.14 Micro morphology of hardened layer in fracture zone of No.2 blade

圖16 2號葉片斷口基體能譜Fig.16 Energy spectrum of the matrix in fracture zone of No.2 blade

圖17 2號葉片斷口處從基體至硬化層的線掃描能譜Fig.17 Linear scanning energy spectra of fracture surface of No.2 blade from matrix to hardened layer:a) scanning position; b) C element; c) W element; d) Fe element; e) Cr element

2 分析與討論

汽輪機每一級葉片的工作溫度都不相同，第一級葉片所處的溫度最高，大約535 ℃。隨后由于蒸汽逐級做功，溫度逐級降低，直到末級葉片溫度降低到100 ℃以下，末級葉片處的水蒸氣由于過冷凝結成水滴，沖擊動葉片進氣側背弧面，造成沖蝕現象[8]。為減緩末級葉片的沖蝕速率，各大汽輪機制造商普遍采用表面防護措施，對葉片進氣側進行耐沖蝕防護。

根據分析推測，該汽輪機葉片可能采用了電火花表面強化技術，表面熔覆碳化鎢硬質合金，形成表面硬化層，進行耐沖蝕防護。但由于表面強化工藝異常，使硬化層出現了裂紋、氣孔、局部未硬化等缺陷，明顯降低了葉片的抗沖蝕能力，導致末級葉片發(fā)生了早期疲勞斷裂。

3 結論

(1) 該汽輪機葉片的失效機理為疲勞斷裂，斷裂源產生于葉片進氣側邊緣，邊緣處存在嚴重的沖蝕現象。

(2) 失效葉片和未使用葉片的表面硬化層均存在裂紋、氣孔、局部未硬化等缺陷，明顯地降低了葉片的耐沖蝕能力，導致了葉片早期疲勞斷裂的發(fā)生。

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AnalysisonFractureReasonsofSteamTurbineBlades

FUXingxing,ZHANGMei,LULiulin

(Technology Center, Dongfeng Commercial Vehicle Co., Ltd., Shiyan 442001, China)

The quality problems of early fracture of last stage blades were found during the expansion and overhaul of the steam turbine unit in a thermal power plant. Methods of fracture analysis, metallographic examination, chemical composition analysis, technology analysis of hardened surface layer were used to analyze the fracture reasons of turbine blades. The results show that: the failure mechanism of steam turbine blades was fatigue fracture; defects of cracks, porosity, non-hardened part and so on existed in hardened layer of the blade surface and reduced the resistant ability of erosion, which was the main reason for the early fatigue fracture of blades.

steam turbine; last stage blade; fracture; hardened surface layer; erosion

10.11973/lhjy-wl201711011

TK263.3

B

1001-4012(2017)11-0812-06

2016-12-23

付星星(1987-)，男，工程師，學士，主要從事汽車結構鋼材料的開發(fā)與應用及汽車零部件的失效分析工作，fuxingxing@dfcv.com.cn