黎 華, 盧忠銘, 劉課秀, 王 戀(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院, 廣州 510663)

火電廠汽輪機(jī)葉片開裂原因分析

黎 華, 盧忠銘, 劉課秀, 王 戀
(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院, 廣州 510663)

某火電廠汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片在停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)端部進(jìn)汽側(cè)背弧面上存在一段裂紋，運(yùn)用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口掃描及能譜分析等方法，對(duì)汽輪機(jī)葉片的開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片上的裂紋形成于進(jìn)汽側(cè)背弧面上的水蝕坑處，動(dòng)葉片承受的拉應(yīng)力以及氯離子腐蝕的工作環(huán)境，導(dǎo)致葉片發(fā)生了晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

汽輪機(jī)葉片；開裂；氯離子；應(yīng)力腐蝕開裂

某火力發(fā)電廠汽輪機(jī)停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)多個(gè)末級(jí)動(dòng)葉片開裂現(xiàn)象，該汽輪機(jī)組僅投入運(yùn)行6 a(年)，累計(jì)運(yùn)行約36 000 h，只達(dá)到理論設(shè)計(jì)壽命的一半[1-5]。汽輪機(jī)采用一次中間再熱循環(huán)，三缸雙排汽抽汽凝汽式結(jié)構(gòu)，高壓缸進(jìn)汽參數(shù)為16.7 MPa/537 ℃，低壓缸進(jìn)汽參數(shù)為1.5 MPa/537 ℃，轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1，額定功率300 MW。為了查明該汽輪機(jī)葉片開裂的原因，對(duì)葉片進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析，以避免類似失效事件的再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

汽輪機(jī)開裂葉片的宏觀形貌如圖1所示，開裂葉片為汽輪機(jī)正向末級(jí)葉片中的35號(hào)葉片，開裂均發(fā)生于葉片端部，裂口較直且斷面與葉片主軸方向基本垂直，未見明顯塑性變形，具有脆性開裂特征。葉片進(jìn)汽側(cè)光滑無腐蝕現(xiàn)象，而背弧面邊緣上存在鋸齒狀水蝕現(xiàn)象。圖2所示為圖1中汽輪機(jī)葉片①，②開裂部位經(jīng)人工打開的斷口形貌。

為進(jìn)一步分析開裂原因，按圖1～2所示對(duì)開裂葉片取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、斷口表面掃描電鏡及能譜分析。

1.2 化學(xué)成分分析

汽輪機(jī)葉片材料為1Cr12Ni3Mo2VN鋼，對(duì)開裂葉片圖1(a)中①，③位置取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)溫度為22 ℃，結(jié)果表明葉片的化學(xué)成分符合產(chǎn)品質(zhì)量保證書的規(guī)定，見表1。

表1 開裂葉片化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the cracking blade (mass fraction) %

圖1 汽輪機(jī)開裂葉片的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracking turbine blade:(a) intake side; (b) extrados

圖2 汽輪機(jī)開裂葉片裂口橫截面形貌Fig.2 Fracture morphology of the cross section of the cracking turbine blade

1.3 沖擊試驗(yàn)

對(duì)開裂葉片圖1(a)中④，⑤，⑥位置縱向取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明葉片的沖擊吸收能量符合產(chǎn)品質(zhì)量保證書的規(guī)定，見表2。

表2 開裂葉片沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Testing results of the impact property of the cracking blade

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)圖2中裂口②位置毗鄰部位的橫截面進(jìn)行了硬度測(cè)試，測(cè)試位置見圖3，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔2 mm，結(jié)果表明葉片硬度的測(cè)試結(jié)果符合產(chǎn)品質(zhì)量保證書的規(guī)定，見表3。

圖3 硬度測(cè)試位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the hardness testing positions

1.5 金相檢驗(yàn)

為了了解葉片顯微組織及裂紋擴(kuò)展情況，在開裂葉片圖1(a)中位置②，③的橫截面取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。結(jié)果顯示葉片的顯微組織均為保持馬氏體位相的回火索氏體，葉片邊緣處的細(xì)小裂紋均起源于邊緣水蝕形成的坑洞中，縱深擴(kuò)展基本與葉片主軸方向垂直，且存在樹枝狀分叉裂紋，見圖4(a)～(b)；裂紋沿晶擴(kuò)展，見圖4(c)～(d)，毗鄰開裂部位邊緣的顯微組織中可見碳化物沿晶界聚集，見圖4(e)，遠(yuǎn)離開裂部位的母材組織未見異常，見圖4(f)。

1.6 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)圖1(a)中位置①裂口、位置⑤，⑥沖擊斷口等進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析，結(jié)果表明裂口斷面①背弧面邊緣上存在深約1 mm的鋸齒狀毛刺，斷口形貌呈冰糖塊狀，局部可見核桃紋及泥紋腐蝕花樣，晶界處發(fā)現(xiàn)二次裂紋，具有典型的沿晶開裂特征，見圖5(a)～(b)。人工斷口①，⑤，⑥的微觀形貌均具有韌窩斷裂特征，見圖5(c)～(e)。能譜分析結(jié)果表明，葉片開裂斷口表面除基體金屬外，含有一定的氯元素，見圖5(f)及表4。

表3 開裂葉片的硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Hardness testing results of the cracking blade

圖4 開裂葉片各部位顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of different areas of the cracking blade:(a) cross section at the edge of position ② (without etching); (b) cross section at the edge of position ③ (without etching);(c) cross section at the edge of position ② (after etching); (d) amplified local microstructure;(e) microstructure besides the edge of position ②; (f) microstructure besides the edge of position ③

圖5 開裂葉片各部位的掃描電鏡形貌及局部區(qū)域能譜Fig.5 SEM morphology of different areas and local energy spectrum of the cracking blade:(a) macro morphology of the manual fracture at position ①; (b) micro morphology of the fracture in rectangle area;(c) micro morphology of the artificial fracture of the position ① specimen;(d) micro morphology of the impact fracture of the position ⑤ specimen;(e) micro morphology of the impact fracture of the position ⑥ specimen;(f) energy spectrum of the fracture surface of the position ① specimen

表4 位置①試樣斷口表面各元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.4 Chemical compositions of the fracture surface of the position ① specimen (mass fraction) %

2 分析與討論

綜合理化檢驗(yàn)的結(jié)果，可知開裂葉片滿足產(chǎn)品質(zhì)量證明書對(duì)1Cr12Ni3Mo2VN鋼化學(xué)成分、沖擊吸收能量及硬度的要求，葉片材質(zhì)合格。

葉片開裂起源于葉片進(jìn)汽側(cè)背弧面邊緣上的水蝕坑內(nèi)，這是由于該區(qū)域更易富集汽水中的雜質(zhì)溶解物。

根據(jù)斷口宏觀、微觀形貌分析，可知裂口無宏觀塑性變形，起裂區(qū)的微裂紋呈樹枝狀由邊緣向內(nèi)部擴(kuò)展。主裂紋與葉片上的離心拉應(yīng)力垂直，具有應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的宏觀特征。斷口微觀形貌呈冰糖塊狀，局部可見核桃紋及泥紋腐蝕花樣，具有典型的沿晶開裂特征。

由能譜分析可知，斷口表面除含有一定量的氯元素外還有較多的氧元素，而溶液中的溶解氧會(huì)加速氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，其陽(yáng)極溶解模型見圖6。

圖6 SCC陽(yáng)極溶解模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the anodic dissolution model for SCC

3 結(jié)論及建議

汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片上的開裂屬于氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。動(dòng)葉片進(jìn)汽側(cè)背弧面邊緣上的沖擊磨損蝕坑易于富集各類雜質(zhì)，當(dāng)富含溶解氧的汽水中存有氯離子時(shí)，在動(dòng)葉片離心拉應(yīng)力的作用下，容易導(dǎo)致氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

為避免汽輪機(jī)在之后的正常運(yùn)行中再次發(fā)生此類失效事件，建議采取以下措施。

(1) 防止冷卻工業(yè)水從凝汽器中泄漏進(jìn)入鍋爐水系統(tǒng)，加強(qiáng)給水質(zhì)量的監(jiān)督，提高蒸汽品質(zhì)，將氯離子含量降到最低。

(2) 保持鍋爐潔凈，防止蒸汽中微小顆粒沖蝕葉片并發(fā)展為裂紋源。

(3) 加強(qiáng)汽輪機(jī)的停機(jī)保護(hù)，保持汽輪機(jī)通流部分干燥。

(4) 定期對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行開缸檢查，特別要加強(qiáng)對(duì)葉片進(jìn)行無損檢測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)開裂問題。

[1] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第一卷:機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2] 王志奮,張友登,王俊霖，等.汽輪機(jī)葉片斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2013,49 (增刊2)：270-273.

[3] 張亞明,夏邦杰,董愛華，等.熱電廠汽輪機(jī)葉片斷裂原因分析[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2009,21(6)：590-592.

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[5] 張升才.汽輪機(jī)葉片斷裂失效分析[J].金屬熱處理,2006,31(10)：79-81.

Analysis on Fracture Reasons of Turbine Blades in a Heat-power Plant

LI Hua, LU Zhong-ming, LIU Ke-xiu, WANG Lian
(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection & Research Institute, Guangzhou 510663, China)

The last stage moving blades of a generators turbine in a heat-power plant were found cracking on extrados at the end of the steam admission side during maintenance downtime. The cracking reasons of the turbine blades were analyzed by macroscopic observation, chemical composition analysis, hardness testing, metallographic examination, fracture scanning and energy spectrum analysis. The results show that: the origin of the cracks was located in the water-eroded pits on the extrados surface of steam admission side of the last stage turbine blades; the intergranular stress corrosion cracking was caused by tensile stress of moving blades and the working environment of chloride ion corrosion.

turbine blade; cracking; chloride ion; stress corrosion cracking

2016-06-02

黎 華(1964-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)研究工作，gzlihua@163.com。

10.11973/lhjy-wl201703011

TG172.5

B

1001-4012(2017)03-0197-04