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(東風(fēng)商用車(chē)有限公司 技術(shù)中心, 十堰 442001)

汽輪機(jī)葉片斷裂原因分析

付星星,張梅,盧柳林

(東風(fēng)商用車(chē)有限公司 技術(shù)中心, 十堰 442001)

某熱電廠汽輪機(jī)組擴(kuò)容檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)末級(jí)葉片出現(xiàn)早期斷裂的質(zhì)量問(wèn)題。采用斷口分析、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、表面硬化層工藝分析等方法，對(duì)汽輪機(jī)葉片的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該汽輪機(jī)葉片的失效機(jī)理為疲勞斷裂，葉片表面硬化層存在裂紋、氣孔、局部未硬化等缺陷，降低了葉片的耐沖蝕能力，是葉片發(fā)生早期疲勞斷裂的主要原因。

汽輪機(jī)；末級(jí)葉片；斷裂；表面硬化層；沖蝕

汽輪機(jī)低壓末級(jí)葉片在濕蒸汽區(qū)工作，高速運(yùn)行的葉片長(zhǎng)期受濕蒸汽中的水滴沖刷，致使葉頂處進(jìn)氣側(cè)發(fā)生嚴(yán)重沖蝕，使低壓末級(jí)葉片成為汽輪機(jī)運(yùn)行中最不可靠的零件之一[1-3]。

某熱電廠汽輪機(jī)進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)改造，裝機(jī)容量從50 MW提升到了60 MW，葉片材料也從2Cr13不銹鋼更換為2Cr12MoV不銹鋼，但在改造15個(gè)月后的檢修中發(fā)現(xiàn)該機(jī)組末級(jí)葉片發(fā)生斷裂，如圖1所示。筆者對(duì)斷裂的兩件汽輪機(jī)葉片(1號(hào)、2號(hào))進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析，并與使用后未斷裂的葉片(3號(hào))和未使用葉片(4號(hào))進(jìn)行了對(duì)比，調(diào)查分析了其失效原因，以避免類(lèi)似失效事件的再發(fā)生。

圖1 汽輪機(jī)葉片的實(shí)物形貌Fig.1 Physical appearance of steam turbine bladesa)fractured part of No.1 blade; b) No.2-4 blades

1 理化檢驗(yàn)

1.1斷口分析

圖2為1號(hào)和2號(hào)斷裂汽輪機(jī)葉片斷口的宏觀形貌。1號(hào)葉片斷口可見(jiàn)黃色的銹蝕痕跡及部分黑色物質(zhì)，根據(jù)斷面形貌明顯分為兩個(gè)區(qū)域：靠近進(jìn)氣側(cè)的斷面較為平坦，為疲勞區(qū)；余下區(qū)域斷面較粗糙[4]。2號(hào)葉片斷口宏觀上未見(jiàn)明顯的銹蝕，其斷面形貌與1號(hào)的類(lèi)似，靠近進(jìn)氣側(cè)的斷口較為平整，隱約可見(jiàn)疲勞弧線，為疲勞斷裂特征，且斷裂源位于進(jìn)氣側(cè)的邊緣部位。

圖2 1號(hào)、2號(hào)葉片斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of No.1 and No.2 blades

利用掃描電子顯微鏡對(duì)1號(hào)和2號(hào)葉片斷口的疲勞擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行觀察，如圖3所示， 可見(jiàn)1號(hào)葉片的斷口上覆蓋著一層氧化物質(zhì)。通過(guò)上述分析可知，1號(hào)和2號(hào)葉片的斷裂形式類(lèi)似，1號(hào)葉片的斷面腐蝕嚴(yán)重，不便于進(jìn)一步分析，因此重點(diǎn)對(duì)2號(hào)葉片的斷裂原因進(jìn)行分析。

圖3 葉片斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fatigue extension area of fracture surface of the blades:a) No.1 blade; b) No.2 blade

2號(hào)葉片的斷裂源位于進(jìn)氣側(cè)的邊緣，利用掃描電子顯微鏡對(duì)2號(hào)葉片的斷裂源進(jìn)行分析。如圖4所示，在斷裂源處可見(jiàn)類(lèi)似沖蝕坑的缺陷，放大觀察可見(jiàn)此坑呈喇叭狀，外大內(nèi)小，坑內(nèi)覆蓋一層氧化物，在沖蝕坑內(nèi)部尾端發(fā)現(xiàn)一個(gè)類(lèi)似氣孔的缺陷。

圖4 2號(hào)葉片的斷裂源區(qū)形貌Fig.4 Morphology of fracture source area of No.2 blade

為了進(jìn)一步查找2號(hào)葉片斷口源區(qū)處存在的“沖蝕坑”的原因，下面對(duì)2號(hào)葉片斷口源區(qū)的側(cè)面，也就是葉片進(jìn)氣邊進(jìn)行分析。從宏觀來(lái)看，2號(hào)、3號(hào)及4號(hào)葉片在易出現(xiàn)沖蝕的進(jìn)氣側(cè)進(jìn)行了表面局部強(qiáng)化，強(qiáng)化后的表面粗糙，如圖5所示。2號(hào)葉片進(jìn)氣側(cè)靠近邊緣處存在呈條帶狀分布的沖蝕坑群，越靠近斷裂源處的沖蝕坑深度越深。3號(hào)葉片進(jìn)氣側(cè)邊緣處也存在類(lèi)似的沖蝕坑群。4號(hào)葉片的表面強(qiáng)化形貌較為粗糙，類(lèi)似砂粒均勻地堆積在一起。

圖6 葉片進(jìn)氣側(cè)表面形貌Fig.5 Surface morphology of air inlet side of the blades:a) No.2 blade; b) No.3 blade; c) No.4 blade

利用掃描電子顯微鏡對(duì)2號(hào)葉片進(jìn)氣側(cè)的表面進(jìn)行觀察，在斷裂源區(qū)側(cè)面可見(jiàn)大量的蜂窩狀沖蝕坑，沖蝕坑深度較深，如圖6a)所示，遠(yuǎn)離斷口區(qū)域可見(jiàn)少量沖蝕坑，沖蝕坑深度較淺，如圖6b)所示。

圖6 2號(hào)葉片進(jìn)氣側(cè)的沖蝕坑形貌Fig.6 Morphology of erosive pittings of air inlet side of No.2 blade:a) the fracture flank; b) away from the fracture area

1.2金相檢驗(yàn)

通過(guò)斷口分析可以推斷出，2號(hào)葉片的疲勞斷裂可能與葉片進(jìn)氣側(cè)的沖蝕現(xiàn)象有關(guān)，而所有葉片為了防止沖蝕均在進(jìn)氣側(cè)進(jìn)行了局部表面強(qiáng)化，為此需要對(duì)葉片表面強(qiáng)化與沖蝕之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

在2號(hào)葉片斷口附近取樣(方向與斷面平行)進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖7所示，可見(jiàn)2號(hào)葉片的硬化層呈半月?tīng)?，且存在未硬化的表面，未硬化表面存在明顯的鋸齒狀沖蝕現(xiàn)象。硬化層以半月?tīng)钕嗷ゴ罱?，硬化層表面未?jiàn)明顯的沖蝕現(xiàn)象，但可見(jiàn)細(xì)小裂紋，硬化層內(nèi)可見(jiàn)氣孔，如圖8所示。

圖8 2號(hào)葉片硬化層裂紋和氣孔形貌Fig.8 Morphology of cracks and porosity in hardenedlayer of No.2 blade

對(duì)3號(hào)葉片取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖9所示，3號(hào)葉片的硬化層不均勻，也存在未硬化區(qū)域，且未硬化區(qū)域可見(jiàn)明顯的沖蝕現(xiàn)象。

對(duì)4號(hào)葉片取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖10～11所示，可見(jiàn)4號(hào)葉片表面部分區(qū)域未硬化，硬化層表面高低不平，且存在較多的裂紋及氣孔缺陷。

圖9 3號(hào)葉片未硬化區(qū)的沖蝕形貌Fig.9 Morphology of water erosion in non-hardenedarea of No.3 blade

圖11 4號(hào)葉片硬化層裂紋及氣孔形貌Fig.11 Morphology of cracks and porosity in hardenedlayer of No.4 blade

圖10 4號(hào)葉片未硬化區(qū)形貌Fig.10 Morphology of non-hardened areaof No.4 blade

圖12 葉片的顯微組織形貌Fig.12 Microstructure morphology of the blades

2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)葉片基體的顯微組織均為回火索氏體，見(jiàn)圖12。

1.3化學(xué)成分分析

對(duì)2號(hào)和4號(hào)葉片進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，其中4號(hào)葉片釩元素含量略微超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，但仍在GB/T 222-2006中表3的允許偏差范圍內(nèi)，葉片其余化學(xué)成分均符合GB/T 8732-2014《汽輪機(jī)葉片用鋼》對(duì)2Cr12MoV不銹鋼成分的要求。

表1 2號(hào)和4號(hào)葉片的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of No.2 and No.4 blades (mass fraction) %

1.4表面硬化層工藝分析

由于汽輪機(jī)葉片的技術(shù)保密原因，葉片表面強(qiáng)化的工藝技術(shù)條件未知，為此對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)氣側(cè)邊緣的局部表面硬化層進(jìn)行分析。

(1) 從硬化層的表面形貌來(lái)分析，硬化層表面粗糙，呈銀灰色的橘皮狀或魚(yú)鱗狀特征。

(2) 從硬化層的顯微組織來(lái)分析：經(jīng)三氯化鐵鹽酸溶液侵蝕后，硬化層呈白亮狀，具有較高的耐腐蝕性；同時(shí)硬化層不均勻，最深處深度達(dá)到450 μm，最淺處幾乎無(wú)硬化層，硬化層中存在微裂紋及氣孔缺陷；硬化層的硬度約為550 HV0.5，而葉片基體的硬度約為300 HV0.5。

(3) 從硬化層的斷口來(lái)分析：硬化層斷口形貌呈枝晶狀，見(jiàn)圖13；在高倍下觀察，可見(jiàn)均勻分布的灰色球狀小顆粒，見(jiàn)圖14；利用X射線能譜儀對(duì)硬化層和葉片基體的斷口分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖15～16所示，可見(jiàn)硬化層斷口的主要元素成分為鐵、鎢、鉻、銅、硫、氧、碳等，葉片基體斷口的主要元素成分為鐵、錳、鉻、銅、硅、氧、碳等；利用X射線能譜儀對(duì)葉片斷口從心部至邊緣進(jìn)行線掃描，如圖17所示，靠近邊緣100～200 μm處斷面的鎢、碳元素含量較其他區(qū)域的要高，而此區(qū)域的鐵元素含量明顯較低。

綜合上述分析可以推斷，該汽輪機(jī)葉片所使用的表面強(qiáng)化工藝可能為電火花表面強(qiáng)化，利用含有碳化鎢的硬質(zhì)合金作為電極材料，通過(guò)電火花放電作用，把作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)入金屬工件的表層，從而形成高硬度、高耐磨性、耐腐蝕的硬化層[5-7]。所有葉片均發(fā)現(xiàn)硬化層不均勻的現(xiàn)象，部分區(qū)域未能硬化，同時(shí)硬化層存在微裂紋及氣孔缺陷。

圖13 2號(hào)葉片斷口硬化層的枝晶形貌Fig.13 Dendrite morphology of hardened layer infracture zone of No.2 blade

圖15 2號(hào)葉片斷口硬化層能譜Fig.15 Energy spectrum of hardened layer infracture zone of No.2 blade

圖14 2號(hào)葉片斷口硬化層微觀形貌Fig.14 Micro morphology of hardened layer infracture zone of No.2 blade

圖16 2號(hào)葉片斷口基體能譜Fig.16 Energy spectrum of the matrix in fracturezone of No.2 blade

圖17 2號(hào)葉片斷口處從基體至硬化層的線掃描能譜Fig.17 Linear scanning energy spectra of fracture surface of No.2 blade from matrix to hardened layer:a) scanning position; b) C element; c) W element; d) Fe element; e) Cr element

2 分析與討論

汽輪機(jī)每一級(jí)葉片的工作溫度都不相同，第一級(jí)葉片所處的溫度最高，大約535 ℃。隨后由于蒸汽逐級(jí)做功，溫度逐級(jí)降低，直到末級(jí)葉片溫度降低到100 ℃以下，末級(jí)葉片處的水蒸氣由于過(guò)冷凝結(jié)成水滴，沖擊動(dòng)葉片進(jìn)氣側(cè)背弧面，造成沖蝕現(xiàn)象[8]。為減緩末級(jí)葉片的沖蝕速率，各大汽輪機(jī)制造商普遍采用表面防護(hù)措施，對(duì)葉片進(jìn)氣側(cè)進(jìn)行耐沖蝕防護(hù)。

根據(jù)分析推測(cè)，該汽輪機(jī)葉片可能采用了電火花表面強(qiáng)化技術(shù)，表面熔覆碳化鎢硬質(zhì)合金，形成表面硬化層，進(jìn)行耐沖蝕防護(hù)。但由于表面強(qiáng)化工藝異常，使硬化層出現(xiàn)了裂紋、氣孔、局部未硬化等缺陷，明顯降低了葉片的抗沖蝕能力，導(dǎo)致末級(jí)葉片發(fā)生了早期疲勞斷裂。

3 結(jié)論

(1) 該汽輪機(jī)葉片的失效機(jī)理為疲勞斷裂，斷裂源產(chǎn)生于葉片進(jìn)氣側(cè)邊緣，邊緣處存在嚴(yán)重的沖蝕現(xiàn)象。

(2) 失效葉片和未使用葉片的表面硬化層均存在裂紋、氣孔、局部未硬化等缺陷，明顯地降低了葉片的耐沖蝕能力，導(dǎo)致了葉片早期疲勞斷裂的發(fā)生。

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AnalysisonFractureReasonsofSteamTurbineBlades

FUXingxing,ZHANGMei,LULiulin

(Technology Center, Dongfeng Commercial Vehicle Co., Ltd., Shiyan 442001, China)

The quality problems of early fracture of last stage blades were found during the expansion and overhaul of the steam turbine unit in a thermal power plant. Methods of fracture analysis, metallographic examination, chemical composition analysis, technology analysis of hardened surface layer were used to analyze the fracture reasons of turbine blades. The results show that: the failure mechanism of steam turbine blades was fatigue fracture; defects of cracks, porosity, non-hardened part and so on existed in hardened layer of the blade surface and reduced the resistant ability of erosion, which was the main reason for the early fatigue fracture of blades.

steam turbine; last stage blade; fracture; hardened surface layer; erosion

10.11973/lhjy-wl201711011

2016-12-23

付星星(1987-)，男，工程師，學(xué)士，主要從事汽車(chē)結(jié)構(gòu)鋼材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用及汽車(chē)零部件的失效分析工作，fuxingxing@dfcv.com.cn

TK263.3

B

1001-4012(2017)11-0812-06