分享：某电厂汽轮机中压转子动叶片开裂的原因
摘 要:某电厂汽轮机中压转子动叶片在使用过程中发生开裂,通过宏观观察、化学成分分析、 力学性能试验、显微组织观察及断口分析等方法,分析了动叶片开裂的原因。结果表明:动叶片裂 纹呈沿晶扩展,裂纹两侧的显微组织存在明显的全脱碳现象,说明裂纹形成于热加工阶段,为典型 的原始锻造裂纹;材料中磷含量超标,使晶界处易形成低熔点脆性共晶产物,在锻造加工过程中材 料晶界处易形成沿晶裂纹;裂纹在工作载荷作用下逐渐扩展,最后造成叶片开裂。
关键词:汽轮机;中压转子动叶片;锻造裂纹;沿晶裂纹
中图分类号:TK263.3 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)11-0033-04
动叶片是电站汽轮机将动能向机械能转换的重 要部件,其服役工况和受力状态较为复杂。运行过 程中,动叶片承受弯曲、扭转、离心等静应力以及蒸 汽流所引起的激振应力及热应力[1-2],这对汽轮机转 子动叶片的材料性能和加工工艺要求较为苛刻。大 量关于动叶片失效的研究表明,大多数动叶片主要 因腐蚀、振动、表面加工质量差等原因导致裂纹萌 生,进而引发疲劳失效[3-9]。在动叶片制造过程中, 锻造温度控制不当和非金属夹杂物易使动叶片产生 锻造裂纹。
某电厂1号机组型号为 N330-17.75/540/540, 由某 汽 轮 电 机 有 限 责 任 公 司 制 造,累 计 运 行 45000h。在第二次揭缸检修时,发现中压转子第8 级动叶片中一支叶片发生开裂,裂纹位于出汽侧的 叶根端面,长约为11mm。中压转子动叶片共12 级,其中,第8级共有 87 支弯扭式叶片,材料为 2Cr11NiMoNbVN 钢,叶根为中心铆孔叉形,自锁 式围带。汽轮机转动部件缺陷会给机组带来极大的 安全隐患,为了找出中压转子动叶片开裂的原因,笔 者对开裂叶片进行了理化检验和分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
如图1所示,动叶片上的裂纹平直、开口细小, 沿叶片轴线方向分布。叶片外表面未见明显机械损 伤、结垢及腐蚀损伤等缺陷,也无易引起应力集中的 加工刀痕、缺口等缺陷。
1.2 断口分析
将叶片开裂部位剖开进行观察,如图2所示,可见断口齐平,未见明显塑性变形,表面锈蚀严重,裂 纹自叶根表面向基体方向扩展。
采用扫描电镜(SEM),对清洗后的动叶片 原始断口和冲击试样的断口(简称冲击断口)进行观 察,如图3所示。由图3a)可见,原始断口表面氧化 严重,但局部仍有大量完整的晶粒,呈现较为清晰的 沿晶断裂形貌特征。由图3b)可见,冲击断口呈现 典型的解理断裂形貌特征。
1.3 化学成分分析
用SPECTROMAXx型台式直读光谱仪对开 裂动叶片进行化学成分分析,结果见表1。由表1 可以看出,开裂动叶片中磷元素含量明显高于标准 GB/T 8732 - 2014 《汽 轮 机 叶 片 用 钢 》对 2Cr11NiMoNbVN钢的技术要求。
1.4 显微组织观察
在动叶片开裂处取样进行显微组织观察。由图 4可见:叶片基体组织为回火马氏体+少量δ铁素 体,δ铁素体含量最高的区域未超过5%(体积分 数),未见1级或更粗的晶粒,组织基本正常;动叶片 主裂纹及分支裂纹均呈现枝杈状沿晶开裂的形貌; 主裂纹及分支裂纹两侧的组织均存在明显的全脱碳 现 象 ,说 明 裂 纹 形 成 温 度 为 高 于AC3 的 锻 造 阶段[10],呈现典型的锻造裂纹特征。
1.5 力学性能试验
从动叶片开裂处截取试样进行硬度测试,结果 见表2,动叶片布氏硬度的实测值符合标准 GB/T 8732-2014的技术要求,动叶片的冲击吸收功处于 标准要求的下限水平,韧性裕量不足。
2 分析与讨论
中压转子动叶片裂纹位于叶根端面平台处,裂 纹平直、开口细小,沿动叶片轴线方向分布,动叶片 表面无腐蚀和损伤痕迹,裂纹分布特征与汽轮机动 叶片运行过程中形成的典型开裂缺陷特征不相符。 断口微观形貌显示,断口局部仍可以观察到大量完 整的晶粒,呈现较为清晰的沿晶开裂特征。
开裂动叶片中磷的含量高于标准要求的上限 值。过量的有害元素磷会使动叶片晶界处形成低熔 点的共晶产物,在进行锻造等高温热加工过程中动 叶片易沿晶界处发生开裂。
显微组织观察显示,动叶片开裂处的主裂纹及 分支裂纹均呈现枝杈状沿晶开裂的形态,主裂纹及 分支裂纹两侧的组织均存在明显的全脱碳现象。在 锻造、轧制等热加工过程中,材料表面在高温环境中 会出现脱碳层,其形成和厚度主要受温度和时间的 影响。研究表明,在加热过程中随着加热温度的升 高,材 料 脱 碳 层 的 深 度 不 断 增 加。当 温 度 低 于 1000℃时,材料表面氧化铁皮阻碍碳的扩散,脱碳 速率比氧化的慢,随着温度的升高,氧化铁皮形成速率增大,氧化铁皮下碳的扩散速率加快,此时氧化铁 皮失去保护能力,达到某一温度后脱碳反而比氧化 快[11]。而汽轮机运行最高报警温度为555℃,说明 该动叶片裂纹不是在汽轮机运行过程中萌生的,而 是在热加工过程中由于锻造工艺不当而形成的。初 始锻造温度过高或保温时间过长产生过热会弱化晶 界,同时该动叶片中有害元素磷的含量超标,易在材 料晶界处偏析形成低熔点共晶物,使得晶界更为薄 弱,锻造过程中的拉应力超过晶界变形抗力时,便会 沿晶开裂[12-13]。
开裂动叶片的冲击吸收功处于标准要求的下限 水平,韧性裕量不足,这与材料中有害元素磷含量偏 高导致材料脆性增大有关。
3 结论及建议
(1)1号汽轮机中压转子动叶片开裂的主要原 因为动叶片中磷含量超标,形成的低熔点磷化物在 晶界聚集。同时,初始锻造温度过高或保温时间较 长,使得含有低熔点磷化物的晶界无法承受锻造加 工的拉应力分量而在加工时发生沿晶开裂。
(2)针对动叶片存在的原始缺陷,应排查其他 同类型叶片是否存在开裂现象。对于重要金属监督 部件应加强制造质量监督及安装前检验,对于动叶 片材料杂质元素磷含量偏高、韧性裕量不足问题,应 结合机组检修计划做好检验工作。
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