汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子1Cr12Ni3Mo2VN不銹鋼葉片的開(kāi)裂原因分析

張 煒，倪進(jìn)飛，尤 晉，龔光平，盧忠銘

(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663)

0 前 言

葉片作為汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向電能轉(zhuǎn)化的重要部件，長(zhǎng)期處于高溫、高壓介質(zhì)環(huán)境中，需承受高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心靜應(yīng)力，蒸汽流的彎曲應(yīng)力和激振力，以及蒸汽中攜帶的活性氯、硫離子對(duì)葉片的腐蝕作用[1-3]。葉片在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)綜合作用下，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕[4，5]、疲勞腐蝕[6，7]，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，給機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性造成很大威脅。因此，對(duì)汽輪機(jī)葉片復(fù)雜環(huán)境下的失效進(jìn)行分析，并給出失效事故發(fā)生的原因以及相應(yīng)的解決措施，對(duì)于電站設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

某火力發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組為300 MW亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排氣、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為(N300-16.7/537/537)。高壓缸進(jìn)氣參數(shù)為16.7 MPa/537 ℃，低壓缸進(jìn)氣參數(shù)為1.5 MPa/537 ℃，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。機(jī)組自投產(chǎn)至發(fā)現(xiàn)葉片開(kāi)裂已累計(jì)運(yùn)行60 000 h，期間運(yùn)行參數(shù)正常。在例行檢修中，發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子多個(gè)末級(jí)動(dòng)葉片存在開(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂葉片材質(zhì)：1Cr12Ni3Mo2VN，接觸介質(zhì)：水蒸氣，進(jìn)汽壓力0.507 MPa，進(jìn)汽溫度約282 ℃。 水處理采用原水預(yù)處理—反滲透(reverse osmosis，RO)脫鹽—混床精處理，主蒸汽質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：Na+≤3 μg/kg；SiO2≤10 μg/kg；Fe2+≤10 μg/kg；Cu2+≤3 μg/kg；鍋爐主給水質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：Cl-≤2 μg/kg；采用還原性全揮發(fā)處理[all-volatile treatment(reduction)，AVT(R)]下的溶解氧：≤7 AVT(R)；Cu2+≤3 μg/kg；Fe2+≤10 μg/kg。為查明葉片開(kāi)裂原因，避免類(lèi)似事件再次發(fā)生，本工作通過(guò)多種理化方法對(duì)開(kāi)裂葉片進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)分析

1.1 宏觀檢查

開(kāi)裂葉片取自低壓反向末級(jí)35號(hào)葉片。由其宏觀形貌(圖1)可見(jiàn)，裂紋位于葉片出汽側(cè)，距離葉頂120 mm，開(kāi)裂長(zhǎng)度約10 mm，裂口較直且沿著葉片橫向由出汽側(cè)向內(nèi)擴(kuò)展，即裂紋擴(kuò)展方向與葉片主軸和葉片高速運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的離心拉應(yīng)力方向垂直，未見(jiàn)明顯塑性變形。葉片出汽側(cè)背弧面上頂端30 mm范圍內(nèi)存在明顯沖蝕現(xiàn)象，沖蝕區(qū)呈鋸齒狀毛刺，坑洼不平，向葉片橫向擴(kuò)展形成直徑2 mm，深度1～2 mm的密集型沖蝕坑。葉片其他部位較光滑，未見(jiàn)明顯的沖刷、腐蝕、機(jī)械損傷、扭曲變形等異常跡象。

為進(jìn)一步分析葉片開(kāi)裂原因，按圖1c所示對(duì)開(kāi)裂葉片取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)開(kāi)裂斷口附近位置①和遠(yuǎn)離開(kāi)裂位置⑥分別制取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析；將開(kāi)裂部位②人工斷裂后對(duì)橫斷面以及毗鄰附近區(qū)域進(jìn)行表面形貌和能譜化學(xué)成分分析；對(duì)開(kāi)裂斷口鄰近區(qū)域③進(jìn)行金相檢驗(yàn)，在開(kāi)裂斷口附近位置④和遠(yuǎn)離開(kāi)裂位置⑤取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

1.2 化學(xué)成分與力學(xué)性能分析

采用SPECTRO XEPOS X射線熒光光譜儀(XRF)，根據(jù)GB/T 223-2008“鋼鐵及合金化學(xué)成分分析方法”對(duì)葉片進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，葉片化學(xué)成分符合GB/T 8732-2004的標(biāo)準(zhǔn)要求，雜質(zhì)元素控制較好，硫、磷含量較低。

表1 1Cr12Ni3Mo2VN化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 1 Results of chemical compositions (mass fraction) %

1.3 力學(xué)性能分析

采用HB-3000C型布氏硬度計(jì)按照GB/T 231-2018“金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分 室溫試驗(yàn)方法”進(jìn)行硬度檢測(cè)；采用RTP450型試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 229-2007“金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法”進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；采用SANS CMT5205型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)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”進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of mechanical property test

從表2可以看出，葉片的拉伸性能、沖擊性能、硬度、沖擊吸收功均符合GB/T 8732-2014“汽輪機(jī)葉片用鋼”對(duì)1Cr12Ni3Mo2VN的技術(shù)要求。

1.4 金相組織分析

為了解金相組織及裂紋向縱深擴(kuò)展情況，在葉片開(kāi)裂部位③處取樣進(jìn)行金相顯微組織分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2a可見(jiàn)，葉片基體顯微組織均為馬氏體位向的回火索氏體，組織比較均勻，未發(fā)現(xiàn)鐵素體、黑色晶界、粗晶等異常組織；葉片邊緣處存在大量腐蝕坑，裂紋由腐蝕坑底部形成，并沿垂直于拉應(yīng)力方向沿晶界擴(kuò)展，如圖2b，主裂紋中前寬、尖端分支分叉明顯，存在沿晶的次生裂紋，如圖2c；次生裂紋附近顯微組織亦為保持馬氏體位向的回火索氏體，且晶界存在明顯的碳化物聚集，如圖2d～2e。

1.5 斷口宏觀形貌

將開(kāi)裂部位②打開(kāi)進(jìn)行斷口宏觀形貌檢查,如圖3a?？梢?jiàn)斷口表面較平齊，斷口面被一層灰黑色腐蝕產(chǎn)物膜層覆蓋，裂紋起源于進(jìn)氣邊背弧面處的沖蝕坑，由邊緣向內(nèi)部擴(kuò)展，斷口根部呈弧形狀。整個(gè)斷口裂紋源起裂區(qū)面積較小，大部分為裂紋擴(kuò)展區(qū)，占整個(gè)斷口面積的3/4。在超聲波儀器中將斷口浸入丙酮進(jìn)行清洗，進(jìn)行低倍觀察，如圖3b，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯的貝紋線，瞬斷區(qū)斷口粗糙，具有典型的疲勞斷裂特征，又產(chǎn)生了腐蝕現(xiàn)象。斷口區(qū)未見(jiàn)明顯的塑性變形和機(jī)械損傷等缺陷。

1.6 斷口微區(qū)分析

由于斷口以腐蝕疲勞為特征，葉片先從沖蝕坑處產(chǎn)生疲勞裂紋，因此，對(duì)裂紋源區(qū)進(jìn)行分析，如圖4～圖6所示。

由圖4可見(jiàn)裂紋源區(qū)存在明顯沖蝕坑，局部可見(jiàn)核桃紋及泥紋腐蝕花樣。如圖5，高倍鏡下可以看出裂紋源區(qū)域呈冰糖塊狀形貌，有沿晶界處的二次裂紋，具有典型的沿晶開(kāi)裂特征。對(duì)裂紋源表面進(jìn)行能譜分析，開(kāi)裂斷口表面除基體金屬元素外，還有O、Cl、S、Ca等雜質(zhì)元素,如圖6和表3所示。通常Cl、S等元素容易在晶界處形成金屬氯化物、硫化物等腐蝕性物質(zhì)造成晶界結(jié)合面強(qiáng)度下降，同時(shí)在應(yīng)力作用下，裂紋在晶界萌生并擴(kuò)展，形成裂紋源[8]。

表3 裂紋源區(qū)元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 3 Element content in the crack source area(mass fraction) %

高倍鏡下對(duì)裂紋源區(qū)腐蝕膜層進(jìn)行觀察，如圖7a所示，可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕膜層較厚，掩蓋了部分?jǐn)嗫谛蚊?，?duì)腐蝕孔附著腐蝕產(chǎn)物膜層進(jìn)行能譜分析，如圖7b。由圖7b可知其中存在大量Ca、Na，Cl，S，O等雜質(zhì)元素，腐蝕膜層成分復(fù)雜，以氯、硫的金屬氧化物和結(jié)晶鹽類(lèi)成分為主(見(jiàn)表4)。

表4 裂紋源區(qū)腐蝕膜層元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 4 Element content of corrosive membrane in crack source area (mass fraction) %

圖8為裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌。低倍鏡觀察可見(jiàn)明顯的貝紋線，如圖8a，為疲勞擴(kuò)展的宏觀特征。放大后在疲勞條紋附近可見(jiàn)脆性疲勞輝紋特征，如圖8b。在疲勞擴(kuò)展后期(如圖8c),疲勞貝紋線更粗大明顯，裂紋加速擴(kuò)展，直到產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂。通常，疲勞輝紋的產(chǎn)生是葉片工作過(guò)程中過(guò)載、停機(jī)、加載啟動(dòng)等形成的痕跡[9]。能譜分析觀察到Cl，S，O等雜質(zhì)元素，如圖9和表5。

表5 裂紋擴(kuò)展區(qū)元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 5 Element content in crack propagation region (mass fraction) %

對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)局部放大，可見(jiàn)表面附著不完整的腐蝕膜層，腐蝕膜層呈斷續(xù)狀，可見(jiàn)部分破裂帶，如圖10。腐蝕膜層在拉應(yīng)力和振動(dòng)交變應(yīng)力的共同作用下，處于一個(gè)不斷的保持形成和破裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程[10]。通過(guò)能譜分析，其中含有Ca，Na，Si、S，O，Cl等雜質(zhì)元素，腐蝕膜層以結(jié)晶的鹽類(lèi)為主，見(jiàn)表6。

表6 裂紋擴(kuò)展區(qū)局部腐蝕產(chǎn)物膜層元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 6 Elements content of local corrosion products in crack growth zone (mass fraction) %

圖11為人工瞬斷區(qū)，斷口區(qū)呈暗灰色、纖維狀，表面存在較粗糙的顆粒狀，微區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生顯微孔洞，出現(xiàn)韌窩斷裂特征。能譜分析可觀察到部分O、Cl元素，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕膜層,如圖12和表7。

2 分析與討論

汽輪機(jī)在正常工作中，低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片由于葉型較長(zhǎng)，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中承受著旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力造成的拉應(yīng)力，且葉片越長(zhǎng)、拉應(yīng)力也就越大，因此，末級(jí)葉片承受了相當(dāng)大的離心拉應(yīng)力。此外，由于低壓末級(jí)蒸汽氣流分布不均勻[11]，使葉片產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)強(qiáng)振頻率域與葉片自振頻率相同時(shí)，引發(fā)共振，振幅和交變應(yīng)力急劇增大，最終造成葉片疲勞斷裂。

汽輪機(jī)低壓缸工況復(fù)雜，其中低壓缸額定進(jìn)氣壓力1.5 MPa，溫度537 ℃，處于過(guò)熱蒸汽區(qū)，隨著蒸汽做功，蒸汽壓力和溫度逐級(jí)降低，到末級(jí)葉片完成做功時(shí)，葉片出汽側(cè)壓力降低至0.5 MPa左右，出汽側(cè)溫度下降到100 ℃以下，處于濕蒸汽區(qū)，末級(jí)葉片將會(huì)存在游離態(tài)的水分子。游離態(tài)水分子過(guò)冷凝結(jié)成水滴，流體對(duì)葉片進(jìn)汽側(cè)背弧面造成水沖蝕。

通常狀態(tài)下，過(guò)熱蒸汽中存在的氧會(huì)在1Cr12Ni3Mo2VN表面形成一層致密穩(wěn)定的氧化保護(hù)膜[12]。而當(dāng)濕蒸汽中存在氯、硫等活性腐蝕離子時(shí)，活性離子生成可溶性鹽垢成為電解液，吸附在金屬表面破壞保護(hù)膜，使葉片產(chǎn)生腐蝕坑，發(fā)生電化學(xué)腐蝕[13]。

在這個(gè)過(guò)程中，保護(hù)膜破壞處作為陽(yáng)級(jí)發(fā)生溶解，鐵原子失去電子成為Fe2+，而未破壞膜為陰極，金屬氧化物得到電子生成單質(zhì)態(tài)金屬原子，保護(hù)膜進(jìn)一步破壞。由于陽(yáng)極面積遠(yuǎn)小于陰極，陽(yáng)極電流密度大，很快形成腐蝕坑，溶液中氯離子不斷向腐蝕坑遷移，造成腐蝕坑金屬一直處于活化狀態(tài)，不斷腐蝕[14]。在大的拉應(yīng)力和腐蝕性氯的共同作用下，在腐蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中促進(jìn)裂紋萌生形成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。該汽輪機(jī)末級(jí)葉片蒸汽濕度大且前后布置有抽氣口，不可避免因蒸汽壓力的突變產(chǎn)生振動(dòng)，而強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生大的交變應(yīng)力迫使應(yīng)力腐蝕裂紋以疲勞開(kāi)裂的方式進(jìn)一步擴(kuò)展，并最終發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。

3 結(jié)論和措施

(1)汽輪機(jī)末級(jí)葉片開(kāi)裂的原因是腐蝕疲勞裂紋。裂紋源起源于距葉頂120 mm左右腐蝕坑底部，腐蝕坑的形成是蒸汽中含氯、硫、氧等腐蝕性介質(zhì)和游離態(tài)水分子沖刷的共同作用，在離心拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，形成裂紋源。激振力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下，裂紋擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為帶腐蝕特征的疲勞擴(kuò)展。

(2)應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)督，減少腐蝕性環(huán)境的產(chǎn)生，對(duì)葉片表面鹽類(lèi)腐蝕沉積物進(jìn)行定期清理。盡量避免機(jī)組的頻繁啟停和工況的大幅度變換而對(duì)葉片造成的應(yīng)力沖擊和共振現(xiàn)象。

(3)葉片化學(xué)成分符合1Cr12Ni3Mo2VN鋼成分范圍，金相組織為馬氏體位向的回火索氏體，組織正常，硬度和各項(xiàng)力學(xué)性能滿(mǎn)足要求?？刹扇『侠淼谋砻鎻?qiáng)化技術(shù)提高抗腐蝕和抗疲勞能力，提升其使用壽命。