1 000 MW超超臨界機(jī)組小汽輪機(jī)22Cr12NiWMoV葉片失效分析

徐 開(kāi)， 史嘯曦， 劉偉平， 趙明華， 谷樹超， 王駕鶴

(1. 上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 210507； 2. 上海漕涇熱電有限責(zé)任公司， 上海 201507；3. 上海明華電力科技有限公司，上海 200090； 4. 上海長(zhǎng)興島熱電有限責(zé)任公司，上海 201913)

在技術(shù)進(jìn)步和綠色發(fā)展理念的驅(qū)動(dòng)下，持續(xù)推動(dòng)煤炭的高效清潔利用一直是能源裝備面臨的重要問(wèn)題。發(fā)展超超臨界機(jī)組、不斷提高發(fā)電效率是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。然而，隨著機(jī)組容量的提升，蒸汽溫度和蒸汽壓力也在不斷提高，發(fā)電機(jī)組部件服役條件也愈加苛刻，對(duì)各關(guān)鍵承壓部件的使用性能和安全條件提出了更高的要求。隨著機(jī)組容量的提高，鍋爐用水量也會(huì)大幅提高，以1 000 MW超超臨界機(jī)組為例，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)質(zhì)量流量近3 000 t/h，給水泵成為熱力發(fā)電廠能耗最高的輔機(jī)之一[1]。電廠給水泵汽輪機(jī)(簡(jiǎn)稱小汽輪機(jī))作為主發(fā)電汽輪機(jī)(簡(jiǎn)稱主汽輪機(jī))的輔助設(shè)備，利用主汽輪機(jī)的中間蒸汽帶動(dòng)，為鍋爐給水提供動(dòng)力，對(duì)于電廠提高能效利用率、節(jié)約成本有著重要的作用。小汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和主汽輪機(jī)基本相同，其葉片、轉(zhuǎn)子作為核心部件，不僅承受高頻率的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，還承受高速氣流的沖刷作用，難免會(huì)因運(yùn)行工況或材質(zhì)原因發(fā)生斷裂失效事故[2-4]。然而，鑒于小汽輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)和尺寸限制，失效分析工作中機(jī)加工取樣較為困難，因此有關(guān)其拉伸性能和沖擊性能等力學(xué)性能數(shù)據(jù)的報(bào)道不多。筆者以某1 000 MW超超臨界機(jī)組小汽輪機(jī)斷裂葉片為研究對(duì)象，通過(guò)宏觀分析、顯微組織分析、硬度分析、室溫拉伸性能分析、沖擊性能分析，以及拉伸和沖擊斷口掃描電子顯微鏡(SEM)形貌分析，對(duì)葉片開(kāi)裂原因進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，為類似失效事故分析提供參考。

1 機(jī)組概況

該機(jī)組為1 000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，最大連續(xù)蒸發(fā)質(zhì)量流量為2 956 t/h，省煤器進(jìn)口給水溫度為297 ℃。機(jī)組配置2臺(tái)小汽輪機(jī)，型式為單缸單流凝汽式汽輪機(jī)，流通級(jí)采用1個(gè)調(diào)節(jié)級(jí)和5個(gè)壓力級(jí)，汽源采用具有高、低壓雙路進(jìn)汽的自動(dòng)切換進(jìn)汽方式。小汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)由主汽輪機(jī)的四級(jí)抽汽供給，啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)由冷段再熱蒸汽或輔助蒸汽供給。小汽輪機(jī)額定功率為16 608 kW，額定進(jìn)汽溫度為395 ℃，額定進(jìn)汽壓力為1.051 MPa，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2 800～6 000 r/min。小汽輪機(jī)葉片材質(zhì)為22Cr12NiWMoV。葉片斷裂事件發(fā)生時(shí)，機(jī)組負(fù)荷為1 001 MW，自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，主蒸汽壓力為27.3 MPa, 主蒸汽溫度為602 ℃，再熱蒸汽溫度為595 ℃，葉片服役時(shí)間為10 a左右。

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，使用全定量金屬元素分析儀(儀器型號(hào)為SPECTROMAXx)對(duì)葉片進(jìn)行化學(xué)元素分析。按照DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)葉片進(jìn)行腐蝕，然后利用倒置萬(wàn)能材料顯微鏡(OM)、SEM對(duì)其顯微組織、拉伸和沖擊斷口進(jìn)行分析。光學(xué)顯微鏡為Axio Oberver.D1m型光學(xué)顯微鏡，SEM為Quanta FEG450型高分辨SEM，加速電壓為200～30 000 V，最大束流為200 nA。

按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，使用UH250布洛維臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)葉片硬度進(jìn)行分析，壓頭直徑為2.5 mm，檢測(cè)力值為62.5 kgf(612.5 N)，保持時(shí)間為10 s。按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)葉片進(jìn)行機(jī)械加工，分別制取室溫弧形拉伸試樣和V形沖擊試樣，試樣尺寸見(jiàn)圖1。利用C45.305微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)各試樣進(jìn)行室溫靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010 A法，即拉伸控制模式為應(yīng)變速率控制，應(yīng)變速率以平行長(zhǎng)度估算，分別為0.000 25 s-1(屈服強(qiáng)度之前)和0.000 67 s-1(屈服強(qiáng)度之后)。使用SANS ZBC2302-B型沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。為減小試驗(yàn)誤差和偶然數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，所有拉伸和沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)3組平行試樣并取其平均值。另外，為更好地分析葉片顯微組織和力學(xué)性能，取與斷裂葉片同一設(shè)備、同一批次完好的葉片(簡(jiǎn)稱對(duì)照葉片)進(jìn)行對(duì)照分析。

圖1 拉伸、沖擊形狀與尺寸

3 宏觀檢查

葉片斷裂宏觀照片見(jiàn)圖2。

圖2 葉片斷裂宏觀照片

葉片斷裂位置為進(jìn)汽側(cè)第一級(jí)葉片葉根部位(見(jiàn)圖2(a)箭頭所指位置)，斷裂葉片大部分已脫落，僅有兩部分固定于葉根卡槽處(見(jiàn)圖2(b)、圖2(c))。由圖2(b)可以看出，斷面明顯可見(jiàn)由左上向右下方向擴(kuò)展的疲勞條紋。由圖2(c)可以看出，“棕樹”形葉根部位有3個(gè)斷口，其中1個(gè)斷面亦明顯可見(jiàn)疲勞擴(kuò)展條紋。由圖2(d)可見(jiàn)，第2、第3級(jí)葉片整圈有明顯打傷跡象，對(duì)第2級(jí)葉片葉根部位進(jìn)行滲透檢測(cè)，未見(jiàn)有其他裂紋。

對(duì)斷裂葉片脫落部分進(jìn)行宏觀檢查，其照片見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：斷面多處有擦傷跡象，各斷口無(wú)明顯宏觀塑性變形，斷面4在進(jìn)汽側(cè)變截面位置呈現(xiàn)光亮色澤且較為平坦，另一側(cè)較為粗糙，并呈現(xiàn)明顯的纖維狀組織；斷面5(對(duì)應(yīng)于圖2(c)所示斷面)和斷面4類似，一側(cè)光滑并可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展條紋，另一側(cè)呈粗糙纖維狀組織。結(jié)合葉片受力情況及斷口呈現(xiàn)的形貌特征，初步判斷斷面4或斷面5可能為先期斷口，斷裂源起始于進(jìn)汽側(cè)葉片形狀突變位置或圖2(b)箭頭所指位置。

圖3 葉片斷口照片

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 化學(xué)成分

斷裂葉片及對(duì)照葉片的化學(xué)成分見(jiàn)表1，其中標(biāo)準(zhǔn)值為GB/T 8732—2014 《汽輪機(jī)葉片用鋼》對(duì)22Cr12NiWMoV鋼的要求。由表1可以看出：葉片化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)值相符，葉片化學(xué)成分正常。

表1 斷裂葉片化學(xué)成分分析結(jié)果 %

4.2 金相分析

斷裂葉片和對(duì)照葉片金相組織見(jiàn)圖4(取樣分析位置均為圖3(a)葉根位置截面)。由圖4可以看出：斷裂葉片和對(duì)照葉片基體組織整體為回火馬氏體結(jié)構(gòu)，但部分區(qū)域晶粒較為粗大，最大晶粒度小于4級(jí)，并有游離鐵素體或塊狀殘余奧氏體存在，葉片顯微組織在晶界處呈現(xiàn)明顯的微觀偏析現(xiàn)象，部分區(qū)域可見(jiàn)黑色點(diǎn)狀分布的晶間熔洞組織，這是低熔點(diǎn)夾雜物熔融的特征組織，表明材料加熱溫度過(guò)高[5]。由此可推斷：葉片在生產(chǎn)過(guò)程(熔煉、鍛造或熱處理時(shí))中可能存在生產(chǎn)工藝控制不佳現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片顯微組織偏析或晶粒異常長(zhǎng)大[6-7]。

圖4 葉片金相組織

4.3 硬度分析

斷裂葉片及對(duì)照葉片硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。GB/T 8372—2014對(duì)22Cr12NiWMoV鋼材硬度規(guī)定有2種描述：(1)交貨狀態(tài)下(退火+高溫回火)硬度不大于255HBW；(2)用熱處理毛坯制成的試樣硬度為277HBW～311HBW。由表2可得，斷裂葉片的平均硬度為333HBW，對(duì)照葉片的平均硬度為320HBW，葉片硬度均高于標(biāo)準(zhǔn)上限。

表2 葉片硬度檢測(cè)結(jié)果

4.4 拉伸性能及沖擊性能分析

對(duì)斷裂葉片及對(duì)照葉片進(jìn)行室溫(23 ℃)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及室溫(23 ℃)沖擊試驗(yàn)，拉伸試樣取自葉片中間較厚位置，沖擊試樣取自葉根部位(見(jiàn)圖5)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 葉片拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的取樣位置及試樣

表3 葉片室溫拉伸、室溫沖擊試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

由表3可以看出：斷裂葉片和對(duì)照葉片強(qiáng)度和塑性指標(biāo)均滿足GB/T 8732—2014要求。但需要指出的是，相比于對(duì)照葉片，斷裂葉片強(qiáng)度較大，這能夠印證兩者在硬度上存在的差別。另外，葉片斷后伸長(zhǎng)率雖然均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是斷裂葉片伸長(zhǎng)率低于對(duì)照葉片，并且已接近標(biāo)準(zhǔn)下限(12%)。試樣的沖擊吸收功差距不大，均為10 J左右。鑒于所取試驗(yàn)為小尺寸(5 mm×10 mm×55 mm)試樣，而GB/T 229—2020未對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸(5 mm×10 mm×55 mm)試樣與小尺寸試樣沖擊吸收功之間的換算提出明確規(guī)定，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和以往研究成果[8]，上述葉片換算成標(biāo)準(zhǔn)尺寸后，其沖擊吸收功在16 J左右，高于GB/T 8732—2014對(duì)其沖擊吸收功規(guī)定的下限(11 J)，葉片沖擊韌性合格。

4.5 拉伸斷口及沖擊斷口分析

對(duì)拉伸斷口和沖擊斷口進(jìn)行SEM分析，其SEM照片見(jiàn)圖6、圖7。由圖6、圖7可以看出：無(wú)論斷裂葉片還是對(duì)照葉片，拉伸斷口均呈現(xiàn)典型的“巖石”狀特征，并明顯可見(jiàn)有沿奧氏體晶界分離形成的沿晶裂紋存在，高倍微觀形貌(見(jiàn)圖6(c)、圖7(c))呈現(xiàn)準(zhǔn)解離狀的脆性斷口特征；室溫沖擊斷口低倍照片可見(jiàn)人字形放射條紋，高倍照片亦可見(jiàn)準(zhǔn)解離形貌。上述特征說(shuō)明了葉片拉伸斷口、沖擊斷口呈現(xiàn)明顯的脆性特征，并且基體組織中存在較大的內(nèi)應(yīng)力[9-10]。

圖6 斷裂葉片拉伸、沖擊斷口照片

圖7 對(duì)照葉片拉伸、沖擊斷口照片

5 綜合分析

從葉片運(yùn)行環(huán)境來(lái)看，葉片承受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力引起的拉應(yīng)力、蒸汽壓力引起的彎曲應(yīng)力和扭力，而第一級(jí)葉片所處的溫度最高，壓力最大，在長(zhǎng)期交變載荷的強(qiáng)迫共振下，容易在應(yīng)力集中部位引起疲勞裂紋。

由化學(xué)成分分析可知，葉片各元素含量正常，即排除了葉片斷裂失效是由化學(xué)成分不佳引起的可能性。22Cr12NiWMoV為馬氏體耐熱不銹鋼，該鋼采用鍛造或軋制工藝生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)淬火、高溫回火處理后進(jìn)行葉片加工。由于該鋼種比其他不銹鋼具有更高的碳含量和組織遺傳性，在實(shí)際鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝控制不當(dāng)，極易產(chǎn)生粗晶現(xiàn)象和偏析現(xiàn)象，偏析缺陷和強(qiáng)韌性匹配不合理成為其工藝控制的一項(xiàng)難題[11-14]。金相分析表明，無(wú)論是斷裂葉片還是對(duì)照葉片，其顯微組織均含有較為粗大的馬氏體結(jié)構(gòu)，并存在明顯的組織偏析現(xiàn)象，葉片顯微組織呈現(xiàn)過(guò)熱特征[15]。在原奧氏體內(nèi)部分布的粗大、交叉馬氏體板條束，使晶粒在受到外力作用發(fā)生塑性時(shí)，受力更不均勻，容易造成應(yīng)力集中[16]，原奧氏體和馬氏體晶粒的增大，使晶界總面積減小，降低了阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和裂紋擴(kuò)展的能力，從而降低鋼的韌性[17]。相關(guān)研究和實(shí)際生產(chǎn)也表明，材料晶粒度增大，其沖擊性能和強(qiáng)度均會(huì)降低，而且對(duì)沖擊性能的影響大于對(duì)強(qiáng)度的影響[18-19]。另一方面，沖擊吸收功反映金屬材料對(duì)外來(lái)沖擊力的抵抗能力，對(duì)材料內(nèi)部的細(xì)微缺陷相當(dāng)敏感，材料組織的偏析會(huì)使材料基體局部受力不均，導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)，在界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成葉片局部沖擊性能降低[20-21]。力學(xué)性能試驗(yàn)表明，葉片強(qiáng)度雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是硬度偏高，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；沖擊性能雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是與細(xì)晶材料相比，卻有明顯的差距[15]，使其材料脆性增大，導(dǎo)致材料對(duì)外來(lái)沖擊力的抵抗能力減小，增大開(kāi)裂傾向。由拉伸斷口照片也可看出，斷口呈現(xiàn)典型的“巖石”狀特征，并且在沿奧氏體晶界處有沿晶裂紋存在，說(shuō)明了葉片材料呈現(xiàn)明顯的脆性特征，位于晶界位置的晶間熔洞或組織偏析處，成為承受載荷的薄弱點(diǎn)。

綜上，小汽輪機(jī)葉片開(kāi)裂原因?yàn)楣に嚥患岩鸬倪^(guò)熱脆性，葉片沖擊韌性降低導(dǎo)致金屬材料抵抗動(dòng)載荷或沖擊力的能力降低，在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋；隨著小汽輪機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，直至葉片整體斷裂失效。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析研究可得出以下結(jié)論：

(1) 22Cr12NiWMoV葉片熱加工工藝控制不佳，顯微組織晶粒粗大及微觀組織偏析，使材料硬度過(guò)高、沖擊韌性降低、脆性增大，導(dǎo)致其抵抗裂紋擴(kuò)展能力降低，這是葉片斷裂的內(nèi)在原因。

(2) 葉片長(zhǎng)期處于循環(huán)扭轉(zhuǎn)和蒸汽推力的作用下，葉根部位截面突變部位為宏觀應(yīng)力集中

點(diǎn)，容易產(chǎn)生開(kāi)裂并以疲勞裂紋的形式擴(kuò)展，這是葉片斷裂失效的外在原因。

(3) 生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熱處理工藝參數(shù)，或在鍛件預(yù)備熱處理后執(zhí)行晶粒細(xì)化工藝，保證此類葉片組織正常。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)葉片，尤其是葉根部位的無(wú)損檢測(cè)工作，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期失效裂紋。