汽動(dòng)給水泵汽輪機(jī)葉片失效分析

劉俊建

(1.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院，安徽 合肥 230088；2.大唐鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，安徽 合肥 230088)

汽動(dòng)給水泵可實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，降低能耗，提高機(jī)組熱效率和經(jīng)濟(jì)效益[1- 2]。小汽輪機(jī)作為鍋爐給水的汽動(dòng)給水泵動(dòng)力源，在電站鍋爐中應(yīng)用廣泛。葉片是汽輪機(jī)的重要零件，其工況十分復(fù)雜，在高溫下高速運(yùn)行，既承受巨大的離心力，又承受蒸汽力和蒸汽激振力，還可能有彎曲、振動(dòng)及濕蒸汽區(qū)水滴的沖蝕，因而易發(fā)生斷裂或損壞等事故，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的隱患[3- 4]。

某電廠2號(hào)機(jī)組小汽輪機(jī)末級(jí)葉片在運(yùn)行時(shí)發(fā)生斷裂。該小汽輪機(jī)2009年投產(chǎn)，共運(yùn)行了20 975 h，期間啟停22次；小汽輪機(jī)末級(jí)葉片共76根，1根完全斷裂，另外19根有裂紋，裂紋均在葉身部位，開裂或斷裂的葉片排列無明顯的規(guī)律。葉片材料為2Cr12MoV鋼，葉身長度204 mm，軸線中心距1 028 mm。從現(xiàn)場取3根葉片，1根有橫向裂紋(編為1號(hào))，1根完全斷裂(編為2號(hào))，1根完好(編為3號(hào))。通過宏觀檢查、化學(xué)成分分析、硬度測試、顯微組織檢驗(yàn)、斷口分析和能譜分析等，對(duì)小汽輪機(jī)葉片斷裂的原因進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

1號(hào)和2號(hào)葉片的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知，1號(hào)葉片距葉根約90 mm處存在長約40 mm的橫向裂紋，2號(hào)葉片完全斷裂(主裂紋離葉根約100 mm)，有橫向裂紋或斷裂的葉片裂紋均起源于出汽側(cè)邊緣(最薄處)，與葉根的間距約為葉身長度的1/3～1/2，并向進(jìn)汽側(cè)擴(kuò)展。文獻(xiàn)[5]指出，該位置葉型慣性積最小，而且葉片截面以上區(qū)域受到的汽流沖擊力最大。另外，由圖1(b)可知，2號(hào)葉片斷口無明顯塑性變形，較平整，由起裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，起裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)斷面與葉片縱軸線近似垂直，為水平斷口(占整個(gè)斷口面積的3/4)。而進(jìn)汽側(cè)為傾斜斷口，粗糙，為瞬斷區(qū)。

從現(xiàn)場選取的3根葉片出汽側(cè)的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知，3根葉片的出汽側(cè)均存在較多大小不一的點(diǎn)狀腐蝕坑，2號(hào)斷裂葉片在出汽側(cè)還有較多污垢。

圖1 (a)1號(hào)和(b)2號(hào)葉片的宏觀形貌Fig.1 Macrograghs of the blades(a)No.1 and(b) No.2

圖2 葉片出汽側(cè)宏觀形貌Fig.2 Macrogragh of the outlet side of blade

1.2 化學(xué)成分檢驗(yàn)

采用PDA- 5000型島津光電直讀光譜儀對(duì)1至3號(hào)葉片進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，3根葉片的化學(xué)成分均符合GB/T 8732—2014汽輪機(jī)葉片用鋼要求，因此可以排除材料用錯(cuò)的可能性[6]。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在1、2和3號(hào)葉片上按GB/T 231.1—2009要求截取硬度試樣[7]，在THB- 3000MDX型布氏硬度計(jì)上測定硬度，結(jié)果見表2。由表2可知，1號(hào)葉片硬度接近標(biāo)準(zhǔn)的上限，其他2根葉片硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

1.4 金相檢驗(yàn)

分別從1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)葉片出汽側(cè)和進(jìn)汽側(cè)切取試塊，磨制拋光后用鹽酸氯化鐵酒精溶液腐蝕，在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察試樣的顯微組織，結(jié)果如圖3～圖5所示。

表1 葉片的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the blades(mass fraction) %

表2 葉片的硬度Table 2 Hardness of the blades HB

由圖3可知，1號(hào)葉片進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)組織均為板條狀馬氏體，少數(shù)區(qū)域可見δ鐵素體。另外，1號(hào)葉片出汽側(cè)有較多腐蝕坑，最大腐蝕坑寬約0.23 mm，深約0.096 mm。

由圖4可知，2號(hào)葉片進(jìn)汽側(cè)(近瞬斷區(qū))和出汽側(cè)(近起裂區(qū))組織均為板條狀馬氏體，少數(shù)區(qū)域可見δ鐵素體。另外，2號(hào)葉片出汽側(cè)存在腐蝕坑。

由圖5可知，3號(hào)葉片進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)組織均為板條狀馬氏體，少數(shù)區(qū)域可見δ鐵素體。另外，3號(hào)葉片出汽側(cè)存在腐蝕坑，最大腐蝕坑寬約0.091 mm，深約0.035 mm。

圖3 1號(hào)葉片(a)進(jìn)汽側(cè)和(b、c)出汽側(cè)的顯微組織Fig.3 Microstructures on steam (a) inlet and (b,c) outlet sides of the blade No.1

圖4 2號(hào)葉片(a)進(jìn)汽側(cè)(近瞬斷區(qū))和(b、c)出汽側(cè)(近起裂區(qū))的顯微組織Fig.4 Microstructures on steam (a) inlet and (b,c) outlet sides of the blade No.2

圖5 3號(hào)葉片(a)進(jìn)汽側(cè)和(b、c)出汽側(cè)的顯微組織Fig.5 Microstructures on steam (a) inlet and (b,c) outlet sides of the blade No.3

1.5 斷口形貌及能譜分析

采用蔡司sigma300熱場掃描電鏡對(duì)葉片的裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)進(jìn)行微觀分析，并對(duì)葉片出汽側(cè)腐蝕坑區(qū)域和污垢進(jìn)行能譜分析。

1號(hào)葉片起裂區(qū)存在腐蝕坑，擴(kuò)展區(qū)為河流花樣(解理斷裂特征)，裂紋從出汽側(cè)向進(jìn)汽側(cè)擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方式以穿晶為主，部分區(qū)域呈現(xiàn)沿晶擴(kuò)展特征，如圖6所示。2號(hào)葉片起裂區(qū)存在腐蝕坑，裂紋擴(kuò)展區(qū)有河流花樣(解理斷裂特征)和二次裂紋，裂紋從出汽側(cè)向進(jìn)汽側(cè)擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方式以穿晶為主，部分區(qū)域呈現(xiàn)沿晶擴(kuò)展特征，瞬斷區(qū)具有韌窩花樣和二次裂紋，如圖7所示。2號(hào)葉片斷口具有低周疲勞斷裂特征。

圖6 1號(hào)葉片(a、b)裂紋起始區(qū)和(c、d)擴(kuò)展區(qū)的掃描電鏡形貌Fig.6 SEM patterns of (a,b) crack initiation zone and (c,d) crack propagation area in the blade No.1

圖7 2號(hào)葉片(a)裂紋起始區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)(b、c)和瞬斷區(qū)(d)的掃描電鏡形貌Fig.7 SEM patterns of(a)crack initiation zone and (b，c) crack propagation area and (d) suddenly fractured zone in the blade No.2

1號(hào)葉片腐蝕坑有K、Ca、Na、Mg、Cl等元素，如圖8(a)所示。2號(hào)葉片出汽側(cè)腐蝕坑存在K、Na等元素，如圖8(b)所示。另外，2號(hào)葉片擴(kuò)展區(qū)存在結(jié)晶鹽，能譜分析表明，結(jié)晶鹽含Cl、K、Na和Ca等元素，如圖9所示。葉片出汽側(cè)污垢含K、Ca等元素，如圖10所示。

2 分析與討論

圖8 (a)1號(hào)和(b)2號(hào)葉片出汽側(cè)腐蝕坑能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of corrosion pit on the outlet side of blade (a) No.1 and (b) No.2

圖9 2號(hào)葉片裂紋擴(kuò)展區(qū)(a)結(jié)晶鹽形貌和(b)能譜分析Fig.9 (a) Pattern and (b) energy spectrum analysis of crystal salt in crack expansion zone in the blade No.2

圖10 2號(hào)葉片出汽側(cè)(a)污垢的形貌和(b)能譜分析Fig.10 (a)Pattern and(b) energy spectrum analysis of dirt on the outlet side of blade No.2

如上所述，3根葉片硬度和化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織為板條狀馬氏體，未見異常組織[8]。斷口的掃描電鏡分析表明，2號(hào)葉片具有低周疲勞斷裂的特征。

電站汽輪機(jī)葉片特別是動(dòng)葉片，受力復(fù)雜，工況惡劣。末級(jí)葉片處于濕蒸汽區(qū)域(蒸汽溫度一般低于100 ℃)，停機(jī)期間，濕蒸汽區(qū)可溶性鹽會(huì)吸收水分成為電解液造成電化學(xué)腐蝕。如上所述，3根葉片出汽側(cè)均存在較多點(diǎn)狀腐蝕坑或污垢，出汽側(cè)腐蝕坑及污垢含有約0.32%～4.6%K、0.4%～1.452%Ca、0.51%～1.63%Na、1.55%～2.67%Cl等元素，這些元素尤其是Cl會(huì)形成可溶性鹽，導(dǎo)致含Cr不銹鋼電化學(xué)腐蝕。另外，完全斷裂的2號(hào)葉片裂紋擴(kuò)展區(qū)也存在結(jié)晶鹽，并含有K、Ca等腐蝕性元素，而在機(jī)械振動(dòng)交變應(yīng)力和電解質(zhì)(如結(jié)晶鹽)腐蝕共同作用下，裂紋的擴(kuò)展比單純的機(jī)械疲勞要快很多[3,9- 10]。

在汽輪機(jī)運(yùn)行中，動(dòng)葉片還承受很大的靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力及交變應(yīng)力，主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在葉片上的離心力引起的拉應(yīng)力，汽流產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和扭力，以及葉片受激振力而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的交變應(yīng)力，所有這些應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂失效[11]。另外，葉片的疲勞裂紋多數(shù)從薄壁一側(cè)(葉片的出汽側(cè))產(chǎn)生，因?yàn)樵撎幨菓?yīng)力集中較大的薄弱部位。

綜合以上分析可以認(rèn)為，葉片出汽側(cè)存在點(diǎn)狀腐蝕坑，在腐蝕性介質(zhì)與激振應(yīng)力共同作用下，點(diǎn)蝕坑底部因應(yīng)力集中萌生微裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉片在出汽側(cè)(較薄側(cè))發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。

3 結(jié)論

小汽輪機(jī)葉片斷裂的原因?yàn)椋簷C(jī)組停運(yùn)期間，葉片表面可溶性鹽溶解致使末級(jí)葉片電化學(xué)腐蝕，并在葉片的出汽側(cè)形成點(diǎn)蝕坑；葉片運(yùn)行期間，在激振應(yīng)力作用下點(diǎn)蝕坑底部因應(yīng)力集中萌生微裂紋并擴(kuò)展，最終在葉片較薄的出汽側(cè)發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。

4 建議

(1)在檢修期間，通過目視和超聲探傷等手段加強(qiáng)對(duì)葉片的檢查，及時(shí)更換出現(xiàn)小裂紋或變形的葉片。

(2)在機(jī)組運(yùn)行和搶修過程中，避免汽輪機(jī)過載運(yùn)行，以避免過大的應(yīng)力沖擊。

(3)加強(qiáng)對(duì)給水品質(zhì)的控制，減少水中的有害雜質(zhì)含量；定期清理葉片表面的鹽類腐蝕物。

(4)對(duì)更換的新葉片進(jìn)行合理的表面強(qiáng)化處理，以提高其耐蝕性能和疲勞強(qiáng)度、延長其使用壽命。