汽輪機(jī)葉片失效分析及預(yù)防

楊 毅

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

某電廠300MW燃煤發(fā)電機(jī)組B級(jí)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子第32級(jí)動(dòng)葉片上有一條垂直于葉片徑向的貫穿性裂紋，該裂紋長(zhǎng)約25 mm，距葉片頂端180 mm，如圖1和圖2所示。葉片材料為1Cr12Ni2Mo1VN-5鋼，是一種12% Cr型馬氏體耐熱不銹鋼，出廠熱處理方式是1 120 ℃淬火保溫60 min，然后680 ℃回火保溫120 min，再去應(yīng)力。葉片工作介質(zhì)是經(jīng)中壓缸做功后的再熱蒸汽，溫度約320 ℃，壓力約0.8 MPa。調(diào)查發(fā)現(xiàn)機(jī)組檢修前運(yùn)行參數(shù)無(wú)異常，運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子震動(dòng)數(shù)據(jù)正常。為保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行，防止同類(lèi)葉片斷裂事故再次發(fā)生，對(duì)該失效葉片進(jìn)行一系列的理化檢驗(yàn)，分析了裂紋產(chǎn)生的原因。

圖1 汽輪機(jī)葉片上裂紋的位置

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

對(duì)失效葉片按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡觀察、能譜分析、硬度檢測(cè)、常溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。

1.1 宏觀分析

對(duì)失效葉片的表面和裂紋處進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖3～5所示。結(jié)果表明，在葉片背面和出汽側(cè)邊緣有許多點(diǎn)蝕坑，其中最大的點(diǎn)蝕坑位于排汽側(cè)邊緣，直徑約3 mm，深度約1.5 mm，由3個(gè)小的點(diǎn)蝕坑聚集而成。由裂紋粗細(xì)判斷，裂紋起源于該最大蝕坑的底部，裂紋較平直，擴(kuò)展方向性強(qiáng)，沿葉片橫向由排汽側(cè)向進(jìn)汽側(cè)方向擴(kuò)展，總長(zhǎng)度25 mm；裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)條細(xì)小分枝，整體形貌呈細(xì)長(zhǎng)干枯樹(shù)枝狀，裂紋附近葉片無(wú)明顯塑性變形，屬于脆性斷裂。葉片其他部位未見(jiàn)裂紋。裂紋斷面粗糙，有人字花樣，根據(jù)人字花樣的方向也可推斷出裂紋起源于葉片出汽側(cè)邊緣的點(diǎn)蝕坑底部；裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面整體顏色灰暗，且伴有次生裂紋。斷面宏觀形貌呈脆性特征，未見(jiàn)明顯白點(diǎn)和疲勞紋。

圖3 失效葉片表面的點(diǎn)蝕坑

圖4 裂紋末段宏觀形貌

圖5 裂紋斷面的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從距失效葉片出汽測(cè)邊緣和頂端邊緣30 mm的角點(diǎn)處鉆孔取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，該失效葉片的化學(xué)成分符合廠家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效葉片的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 微觀檢驗(yàn)

1.3.1 微觀形貌

在光學(xué)顯微鏡下觀察裂紋的微觀形貌，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，裂紋整體形貌呈枯樹(shù)枝狀，擴(kuò)展方向性明顯，一條主裂紋大致垂直于葉片徑向，擴(kuò)展較快，其他分支裂紋擴(kuò)展較慢。根據(jù)這一特征可以將應(yīng)力腐蝕與腐蝕疲勞、晶間腐蝕以及其他形式的斷裂區(qū)分開(kāi)來(lái)[1]。

(a) 裂紋中段

(b) 裂紋末段

采用掃描電鏡觀察裂紋斷面的微觀形貌，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，整個(gè)斷面上有很厚的腐蝕產(chǎn)物堆積，遮蓋了斷口形貌。用5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))乙二胺四乙酸溶液對(duì)裂紋斷面進(jìn)行超聲波清洗后，再進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，斷面的裂紋擴(kuò)展區(qū)整體呈冰糖狀形貌，表面帶有大量腐蝕坑，并伴隨大量沿晶二次裂紋，這說(shuō)明裂紋擴(kuò)展方式為沿晶擴(kuò)展。在裂紋擴(kuò)展區(qū)域未發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，斷口不具備疲勞特征。

1.3.2 腐蝕產(chǎn)物

在裂紋斷面清洗前，分別對(duì)裂紋起源點(diǎn)蝕坑內(nèi)(圖9)和裂紋擴(kuò)展區(qū)表層(圖10)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析。結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要成分是氧，兩處分析區(qū)域的氧含量均大于51%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；點(diǎn)蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物中硫含量為0.92%，氯含量為0.96%；裂紋擴(kuò)展區(qū)表層腐蝕產(chǎn)物中硫含量為0.84%，氯含量為0.85%。

圖7 清洗前裂紋斷面的微觀形貌

圖8 清洗后裂紋斷面的微觀形貌

圖9 點(diǎn)蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置

圖10 裂紋擴(kuò)展區(qū)表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置

1.3.3 微觀組織

在裂紋附近葉片中間部位沿徑向取樣，在徑向截面上進(jìn)行夾雜物檢查。結(jié)果表明，失效葉片組織中A、B、C、D四類(lèi)非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果均為1級(jí)[2]，符合GB/T 8732-2014標(biāo)準(zhǔn)[3]要求。

根據(jù)GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)[4]，在上述非金屬夾雜物試樣的橫向截面上檢測(cè)葉片的晶粒度。結(jié)果表明，其平均晶粒度為6.5級(jí)，不含有1級(jí)或更粗的晶粒，符合GB/T 8732-2014標(biāo)準(zhǔn)[3]要求。

根據(jù)GB/T 13298-2015標(biāo)準(zhǔn)[5]對(duì)失效葉片進(jìn)行金相檢驗(yàn)。取樣位置為裂紋末段區(qū)域和葉片根部中心，腐蝕劑為氯化鐵鹽酸水溶液，結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：裂紋分支處、裂紋末端和遠(yuǎn)離裂紋的葉根中心位置的組織均為回火馬氏體，根據(jù)葉片熱處理參數(shù)和廠家標(biāo)準(zhǔn)，失效葉片的組織無(wú)明顯異常；裂紋末段附近分叉明顯，伴有次生裂紋，裂紋尖端較銳利。在裂紋擴(kuò)展區(qū)之外的區(qū)域抽取了5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)晶間裂紋。

(a) 裂紋分支附近 (b) 裂紋末端附近 (c) 葉片根部附近

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

在失效葉片的葉身表面沿軸向中心線選4個(gè)點(diǎn)(距離葉片頂端約60 mm處為第1個(gè)測(cè)點(diǎn)，向葉根方向每隔100 mm取1個(gè)測(cè)點(diǎn))進(jìn)行硬度檢測(cè)。對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的正面和背面兩側(cè)進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)。結(jié)果表明，失效葉片的平均硬度為298 HB，各測(cè)點(diǎn)之間硬度偏差不超過(guò)10 HB，符合生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)要求(285～325 HB)。

在失效葉片上進(jìn)汽側(cè)較厚部位沿徑向取3個(gè)圓形橫截面短比例試樣，進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)[6]。結(jié)果表明，其平均抗拉強(qiáng)度(Rm)為1 000 MP，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度(Rp0.2)為860 MP，斷后伸長(zhǎng)率(A)為17.5%，符合葉片生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)要求(930 MPa≤Rm≤1 130 MPa，Rp0.2≥780 MPa，A≥14%)。

在失效葉片上緊靠葉根部位沿徑向取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)V型缺口夏比沖擊試樣，按GB/T 229-1994標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，葉片徑向沖擊吸收功AkV分別為126.3，126.3，130.0 J/cm2，均符合廠家標(biāo)準(zhǔn)要求(AkV≥62.5 J/cm2)。

2 失效原因分析

經(jīng)分析，失效葉片的化學(xué)成分、微觀組織和力學(xué)性能等均無(wú)異常，這排除了因材料本身原因造成開(kāi)裂的可能。

該汽輪機(jī)已運(yùn)行了12 a，本次是首次萌生裂紋，在調(diào)查了解了其他12臺(tái)類(lèi)似設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的機(jī)組后發(fā)現(xiàn)，葉片斷裂并非普遍現(xiàn)象，因此排除由葉片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原因造成開(kāi)裂的可能。

失效葉片的裂紋宏觀和微觀形貌具有典型的應(yīng)力腐蝕特征。應(yīng)力腐蝕一般起源于表面缺陷處，且具備三大必要條件：對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的金屬、化學(xué)介質(zhì)和拉應(yīng)力。失效葉片的裂紋起源于葉片邊緣的蝕坑處，且具備應(yīng)力腐蝕三大必要條件：1Cr12Ni2Mo1VN屬于對(duì)S和Cl腐蝕敏感的馬氏體不銹鋼；腐蝕產(chǎn)物中檢測(cè)到S2-和Cl-，說(shuō)明該葉片所處環(huán)境中存在應(yīng)力腐蝕所需的化學(xué)介質(zhì)；葉片工作時(shí)主要承受由葉片高速圓周運(yùn)動(dòng)的離心力引起的沿葉片徑向的拉應(yīng)力，這提供了應(yīng)力腐蝕所需的拉應(yīng)力。因此，失效葉片的裂紋是應(yīng)力腐蝕所致。

葉片工作環(huán)境的介質(zhì)是經(jīng)過(guò)鍋爐加熱加壓的高溫蒸汽。為查清環(huán)境中S2-和Cl-的來(lái)源，查閱了電廠最近幾次水汽系統(tǒng)水樣分析報(bào)告，發(fā)現(xiàn)機(jī)組檢修前約2個(gè)月的一次水樣分析結(jié)果異常，具體分析結(jié)果如表2所示。此次檢測(cè)中，Cl-含量為2.3 μg/L，超過(guò)GB/T 12145-2016標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值(≤2 μg/L)，所以機(jī)組有發(fā)生腐蝕、結(jié)垢和積鹽等危險(xiǎn)。由于該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)鍋爐給水、水汽系統(tǒng)水和循環(huán)水中S2-含量提出要求，故無(wú)法從此前的水質(zhì)分析報(bào)告中查到S2-含量。通常，1Cr12Ni2Mo1VN鋼具有良好的耐蝕性，其表面會(huì)形成一層鈍化膜,防止金屬進(jìn)一步受到腐蝕。但是，當(dāng)蒸汽中含有Cl-時(shí)，葉片表面的鈍化膜也會(huì)受到侵蝕，從而產(chǎn)生點(diǎn)蝕小坑。

表2 機(jī)組水汽系統(tǒng)水樣分析結(jié)果

大量研究表明，不銹鋼存在發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力，常用σSCC表示，當(dāng)不銹鋼中的應(yīng)力低于該值時(shí)，不銹鋼不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，σSCC的數(shù)值大小因介質(zhì)種類(lèi)、濃度、溫度、材料成分不同而不同[9]。

葉片工作時(shí)，若S2-和Cl-含量不超標(biāo)，無(wú)表面缺陷處的工作拉應(yīng)力σn<σSCC，不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。當(dāng)葉片表面存在點(diǎn)蝕小坑時(shí)，由于點(diǎn)蝕小坑能引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致此處的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力比無(wú)缺陷光滑葉片處的?。煌瑫r(shí)，點(diǎn)蝕小坑底部會(huì)富集S2-和Cl-等腐蝕介質(zhì)，使得小坑底部腐蝕介質(zhì)的含量比外部大很多，進(jìn)一步降低了此處發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的臨界應(yīng)力。在以上兩方面因素綜合作用下，點(diǎn)蝕小坑底部的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于葉片其他正常部位的。

失效葉片裂紋起源處的點(diǎn)蝕坑是由3個(gè)點(diǎn)蝕小坑聚集而成，其底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、起伏度大，應(yīng)力集中比葉片其他任何位置都大，因此此處的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力最小，葉片工作時(shí)離心力引起的拉應(yīng)力大于此處的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力，因而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，萌生裂紋。

晶體結(jié)構(gòu)是影響應(yīng)力腐蝕裂紋走向的主要因素，體心立方結(jié)構(gòu)金屬材料的應(yīng)力腐蝕以沿晶開(kāi)裂為主[9]。失效葉片的組織是回火馬氏體，屬于體心立方的晶體結(jié)構(gòu)，所以其應(yīng)力腐蝕裂紋易以沿晶開(kāi)裂的形式擴(kuò)展。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)應(yīng)力較小、腐蝕介質(zhì)較弱時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋多呈沿晶擴(kuò)展[9]。汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)考慮了應(yīng)力腐蝕等可能的失效方式，因此已進(jìn)行了去應(yīng)力處理。在腐蝕介質(zhì)含量超標(biāo)和點(diǎn)蝕小坑應(yīng)力集中的雙重作用下，失效葉片工作拉應(yīng)力達(dá)到了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界值，從而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，但是與應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力相比，葉片實(shí)際工作拉應(yīng)力不大。因此，在晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力較小雙方面因素影響下，應(yīng)力腐蝕裂紋萌生后，裂紋以沿晶的方式進(jìn)行擴(kuò)展。

裂紋萌生后，葉片工作時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力集中始終存在，腐蝕性離子也不停滲入裂紋縫隙，造成局部腐蝕介質(zhì)含量高，鈍化膜不能修復(fù)，裂紋便以沿晶的方式沿垂直于拉應(yīng)力方向逐步向縱深擴(kuò)展，最終發(fā)展成檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)25 mm的裂紋。

3 結(jié)論與建議

汽輪機(jī)葉片長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生點(diǎn)蝕小坑。由于運(yùn)行過(guò)程中有一段時(shí)間鍋爐水質(zhì)控制不嚴(yán)，導(dǎo)致汽水中的S2-和Cl-含量超標(biāo)，使對(duì)S2-和Cl-腐蝕敏感的馬氏體不銹鋼低壓動(dòng)葉片工作在腐蝕介質(zhì)中，在離心拉應(yīng)力的作用下，最終在應(yīng)力集中最大的葉片邊緣最大蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

根據(jù)應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生機(jī)理，應(yīng)力腐蝕預(yù)防一般從材料、化學(xué)介質(zhì)、應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕發(fā)源點(diǎn)(多為表面缺陷，表現(xiàn)為應(yīng)力集中)四方面著手。一般認(rèn)為，所有合金鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性，鋼中碳含量為0.12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感性最大[10]。葉片工作過(guò)程中必定會(huì)受到離心力引起的拉應(yīng)力，汽輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后，葉片表面難以避免地會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕小坑。因此，從電廠實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，預(yù)防應(yīng)力腐蝕應(yīng)主要從化學(xué)介質(zhì)和消除應(yīng)力集中著手。

(1) 建議嚴(yán)格控制鍋爐用水質(zhì)量，定期進(jìn)行水質(zhì)鑒定，并增加對(duì)水中S2-含量的監(jiān)測(cè)，在技術(shù)和成本允許的情況下，盡量降低S2-和Cl-含量。同時(shí)，Cl-是導(dǎo)致葉片產(chǎn)生點(diǎn)蝕的重要因素，降低控制Cl-含量不僅能從化學(xué)介質(zhì)的角度防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而且能一定程度防止汽輪機(jī)葉片的點(diǎn)腐蝕。點(diǎn)蝕小坑的減少，有利于從應(yīng)力腐蝕發(fā)源點(diǎn)預(yù)防應(yīng)力腐蝕。另外，pH下降會(huì)使不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性增加[11]，建議按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格控制鍋爐水的pH。

(2) 聯(lián)系汽輪機(jī)葉片廠家，對(duì)葉片表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集中應(yīng)力較大的點(diǎn)蝕坑進(jìn)行消除修補(bǔ)處理。

(4) 建議加大該機(jī)組汽輪機(jī)葉片的監(jiān)督檢驗(yàn)，增加其他葉片表面探傷檢測(cè)。