王紅濤，杜晉峰

（1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024；2.神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025）

0 引 言

近年來我國電力系統(tǒng)步入大機(jī)組發(fā)電以及超高壓、遠(yuǎn)距離、交直流混合的輸電時(shí)代。高參數(shù)、大容量機(jī)組的復(fù)雜軸系結(jié)構(gòu)和日趨復(fù)雜的輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極大地增加了汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生次同步振蕩的幾率,而低強(qiáng)度頻發(fā)的次同步振蕩非常容易導(dǎo)致汽輪發(fā) 電機(jī)組軸系發(fā)生扭振[1-3]。轉(zhuǎn)子作為汽輪發(fā)電機(jī)組軸系中關(guān)鍵的高速旋轉(zhuǎn)部件,若其危險(xiǎn)點(diǎn)處的局部應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面萌生裂紋,因此轉(zhuǎn)子的疲勞壽命關(guān)乎著發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。目前,發(fā)電企業(yè)所用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的高周疲勞循環(huán)次數(shù)己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于107周次,如繼續(xù)基于傳統(tǒng)S-N曲線和疲勞極限概念對其進(jìn)行無限壽命設(shè)計(jì)是不準(zhǔn)確的,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子將面臨超高周疲勞的潛在威脅。然而目前針對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子超高周疲勞性能并沒有系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究,這使得科學(xué)分析轉(zhuǎn)子抗扭振及次同步振蕩破壞風(fēng)險(xiǎn)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子使用壽命顯得迫切而重要。

為此,作者對目前超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子常用的三種材料進(jìn)行拉壓高周疲勞試驗(yàn),嘗試將傳統(tǒng)S-N曲線的高壽命區(qū)拓展至108數(shù)量級(jí)的循環(huán),分析了材料的超高周疲勞壽命,并觀察了轉(zhuǎn)子的疲勞斷口形貌,為次同步振蕩導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子失效分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料取自發(fā)生過次同步振蕩超臨界機(jī)組的轉(zhuǎn)子,所用材料分別為25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼。為剔除加工工藝不合格導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失效的因素[4],進(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn)前對這三種試驗(yàn)鋼進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能、化學(xué)成分及顯微組織分析,評(píng)價(jià)其是否符合轉(zhuǎn)子材料的技術(shù)規(guī)范要求。

采用Oxford Inca 250型能譜儀和光譜儀測三種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分;依據(jù)GB/T 228-2008,采用INSTRON 8801型試驗(yàn)機(jī)對三種試驗(yàn)鋼進(jìn)行軸向靜載拉伸試驗(yàn),拉伸速度為0.48 mm·min-1;采用HXZ-1000型數(shù)字顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測試;采用Olympus BX51M型光學(xué)顯微鏡觀察三種試驗(yàn)鋼的顯微組織,腐蝕溶液為4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液。

疲勞試驗(yàn)采用島津USF-2000型超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,試驗(yàn)頻率為20 kHz,采用軸向拉壓加載方式,載荷比R=-1,采用壓縮空氣冷卻,試驗(yàn)環(huán)境為25～35℃,相對濕度為40%～60%。疲勞試驗(yàn)在不同應(yīng)力幅下進(jìn)行,直到疲勞試樣發(fā)生斷裂或循環(huán)次數(shù)達(dá)到108周次為止。疲勞試樣的形狀和尺寸如圖1所示,疲勞試樣的軸向平行于轉(zhuǎn)子長度方向。采用Zeiss EVO 40XVP型掃描電子顯微鏡觀察疲勞斷口形貌。

圖1 疲勞試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of fatigue sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

由表1可知,三種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分均符合GB/T 3077-1999的規(guī)定。

表1 三種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of three kinds of test steel(mass) %

2.2 力學(xué)性能

5Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼的布氏硬度分別為238,228,200 HB;屈服強(qiáng)度分別為830,885,795 MPa;抗拉強(qiáng)度分別為955,935,1 005 MPa。三種鋼的基本力學(xué)性能滿足GB/T 3077-1999的要求。

2.3 顯微組織

由圖2可知,三種試驗(yàn)鋼的顯微組織均為回火索氏體,可以判斷三種材料的轉(zhuǎn)子均經(jīng)過了調(diào)質(zhì)處理,符合轉(zhuǎn)子材料供貨態(tài)的技術(shù)規(guī)范。

圖2 三種試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of 25Cr2MoVA steel(a),25Cr2Mo1VA steel(b) and 40Cr steel(c)

2.4 疲勞性能

表2為不同應(yīng)力下三種試驗(yàn)鋼的拉壓疲勞試驗(yàn)結(jié)果。針對多種金屬材料在超高周循環(huán)周次下的疲勞壽命研究認(rèn)為金屬材料沒有傳統(tǒng)意義上的疲勞極限[5-6],當(dāng)交變載荷低于傳統(tǒng)疲勞強(qiáng)度時(shí),材料仍然會(huì)發(fā)生損傷以致斷裂失效。為了真實(shí)地反映材料的疲勞性能,采用無疲勞極限半對數(shù)曲線模型對表2所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別獲得三種試驗(yàn)鋼拉壓疲勞試驗(yàn)時(shí)不同斷裂概率(0.01,0.1,0.5,0.9,0.99)下的P-S-N曲線,如圖3所示。

由圖3可知,隨著應(yīng)力降低,三種試驗(yàn)鋼的疲勞壽命均持續(xù)增加;P-S-N曲線上106～108周次之間的變化趨勢漸緩,沒有出現(xiàn)明顯的平臺(tái)。25Cr2MoVA鋼,25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼在循環(huán)108周次條件下的疲勞極限分別為465,455,460 MPa。

表2 三種試驗(yàn)鋼的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of fatigue test for three kinds of test steel

圖3 基于無疲勞極限半對數(shù)曲線模型得到的三種試驗(yàn)鋼的P-S-N曲線Fig.3 P-S-N curves of three kinds of tested steels based on the no fatigue limited semi-logarithmic model:(a) 25Cr2MoVA steel;(b) 25Cr2Mo1VA steel and(c) 40Cr steel

2.5 疲勞斷口形貌

以525 MPa應(yīng)力下疲勞壽命為2.65×105周次的25Cr2MoVA鋼疲勞斷口為例觀察斷口形貌。由圖4可知,疲勞裂紋起源于試樣表面,表面裂紋源區(qū)并沒有發(fā)現(xiàn)缺陷;疲勞擴(kuò)展區(qū)由源區(qū)呈放射狀向四周擴(kuò)散,并未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞條帶;瞬斷區(qū)為典型的韌窩形貌。

以500 MPa應(yīng)力下疲勞壽命為1.12×106周次循環(huán)后25Cr2Mo1VA鋼疲勞斷口為例觀察斷口形貌。由圖5可見,裂紋源區(qū)存在擦傷痕跡,這是早期裂紋緩慢擴(kuò)展時(shí)裂紋尖端反復(fù)張開閉合留下的;疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面較平坦,與主應(yīng)力垂直;瞬斷區(qū)為韌窩形貌。

由圖6可知,40Cr鋼在525MPa應(yīng)力下經(jīng)4.61×105次循環(huán)后,疲勞裂紋于試樣表面起裂,裂紋源區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖4 25Cr2MoVA鋼疲勞斷口的SEM形貌（S=525 MPa,N=2.65×105周次）Fig.4 SEM morphology of fatigue fracture of 25Cr2MoVA steel:(a) macrograph of fracture;(b) fatigue crack source area;(c) crack extension area and(d) transient fracture area

圖5 25Cr2Mo1VA鋼疲勞斷口的SEM形貌（S=500 MPa,N=1.12×106周次）Fig.5 SEM morphology fatigue fracture of 25Cr2Mo1VA steel:(a) macrograph of fracture;(b) fatigue crack source area;(c) crack extension area and(d) transient fracture area

圖6 40Cr鋼疲勞斷口的SEM形貌（S=525 MPa,N=4.61×105周次）Fig.6 SEM morphology of fatigue fracture of 40Cr steel:(a) macrograph of fracture;(b) fatigue cracks source;(c) cracks extension area and(d)transient fracture area

2.6 討 論

符合轉(zhuǎn)子制造要求的25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼均具有典型的疲勞斷口特征,即裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。在循環(huán)應(yīng)力作用下,裂紋無論以何種方式萌生,都與材料在外載剪切應(yīng)力分量作用下所產(chǎn)生的循環(huán)滑移過程有關(guān),是局部塑性變形集中的結(jié)果[7];而源于試樣表面的裂紋,在剪切應(yīng)力分量作用下呈放射狀向四周擴(kuò)展;由于材料的高強(qiáng)度特性,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展區(qū)沒有明顯的疲勞條帶;25Cr2MoVA鋼和25Cr2Mo1VA鋼的瞬斷區(qū)具有韌窩特征,而40Cr的瞬斷區(qū)則呈現(xiàn)準(zhǔn)解理特征,這說明前兩種轉(zhuǎn)子材料的韌性優(yōu)于40Cr鋼的。

經(jīng)驗(yàn)公式表明同一種材料拉拉疲勞極限是扭轉(zhuǎn)疲勞極限的2倍,由此可知25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼在循環(huán)108周次內(nèi)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限分別為232,227,230 MPa。綜合疲勞斷口形貌和疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知,上述三種材料制造的轉(zhuǎn)子在遭受同樣的次同步振蕩時(shí),25Cr2MoVA鋼轉(zhuǎn)子的安全性更高。

3 結(jié) 論

(1)25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼在108周次超高周拉壓疲勞條件下的疲勞極限分別為465,455,460 MPa。

(2)基于疲勞極限半對數(shù)曲線模型擬合了三種鋼的P-S-N曲線,隨著應(yīng)力水平降低,三種鋼的疲勞壽命均持續(xù)增加,曲線下降趨勢變緩,但未出現(xiàn)顯著的水平平臺(tái)。

(3)三種鋼的疲勞裂紋均萌生于材料表面,裂紋擴(kuò)展呈放射狀,25Cr2MoVA鋼和25Cr2Mo1VA鋼瞬斷區(qū)具有韌窩特征,它們的韌性優(yōu)于40Cr鋼的。

(4)在遭受同樣的次同步振蕩時(shí),25Cr2MoVA鋼轉(zhuǎn)子的安全性最高。

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