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低压末三级叶片超临界机组开裂的原因分析

2023-08-01 131 上传者：管理员

摘要：某超临界机组低压转子末三级叶片发生开裂，取样进行了宏观检验、化学成分分析、显微硬度试验、力学性能试验、显微组织及能谱分析。结果表明：叶片热处理工艺控制不当，导致在出汽侧边缘形成宽约20mm的硬化层和不均匀马氏体组织，材料耐蚀性下降；机组运行时汽水品质不佳，存在Cl、S等腐蚀元素，叶片形成腐蚀点坑；在叶片离心力产生的拉应力和残余应力的共同作用下，在应力集中的出汽侧边缘点坑处萌生微裂纹，继而发生应力腐蚀开裂。

关键词：
叶片
应力腐蚀
残余应力
腐蚀点坑
裂纹
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低压转子动叶片是电站汽轮发电机组的重要受监金属部件，由叶顶、叶身、叶根和连接部分组成。动叶片工作条件复杂，每一级叶片工作温度不同，末一级和末二级动叶片叶身较长，受力较大，且处于过热蒸汽向饱和蒸汽过渡的湿蒸汽区域，所以断裂多发生在这两级上[1,2,3,4,5]。但近年来一些超(超)临界机组参与深度调峰，机组的启停和负荷的频繁变化，使转子中工作介质的流速、温度、压力发生变化，湿蒸汽区域扩大，所以在一些不易失效的部位也发生了一些失效案例[6,7,8]。

在近些年的工作中，通过相控阵检测和渗透检测发现了多台超(超)临界机组低压转子末三级动叶片开裂，严重危及着汽轮机的安全稳定运行。若处置不当，则会导致机组停运造成重大经济损失，更有甚者会发生人身伤亡的灾难性事故[9]。因此，有必要开展对低压转子末三级动叶片裂纹的原因分析。

1、试验材料

某电厂600MW超临界机组于2005年9月投产，已累计运行约10万小时。低压转子动叶片共7级，末三级(第5级)每级118只叶片，叶片材质为1Cr12Mo,在近期检修过程中发现末三级共7只叶片存在裂纹缺陷，裂纹均位于叶身出汽侧边缘。本次试验材料取其中一个裂纹情况最严重的叶片，渗透检测后发现，在叶身出汽侧边缘共存在5条裂纹，形貌如图1所示。经测量，裂纹1长20mm,裂纹2长10mm,裂纹3长2.2mm,裂纹4长5mm,裂纹5长2mm,均已穿透叶身，且在叶片靠近叶根处的外弧面表面存在密密麻麻的点坑，其它部位点坑稀疏且分散。

2、试验结果及分析

2.1宏观检验

在叶片上截取试样1(包含裂纹1尖端)和试样2(包含裂纹3、裂纹4、裂纹5),抛光后在体式显微镜下观察外弧面表面形貌，如图2所示。从图2(a)和图2(b)可以看出，两个试样的表面均存在少量分散的腐蚀点坑，且出汽侧边缘粗糙，有受到腐蚀的痕迹，裂纹均起源于出汽侧边缘蚀坑处，然后沿叶身横向或斜向扩展。以裂纹3为例，可以观察到裂纹3在出汽侧边缘蚀坑起裂后，沿叶身斜向扩展，且穿过一较大尺寸腐蚀点坑，如图2(c)所示。

图1叶片外弧面和内弧面表面形貌

2.2化学成分分析

对试样1和试样2采用SPECTRO MAXx直读光谱仪进行化学成分分析，检测结果见表1,从检测结果可以看出，叶片各元素成分符合GB/T 8732-2014《汽轮机叶片用钢》标准要求

图2试样1和试样2外表面形貌

表1叶片试样的化学成分(质量分数,%)

2.3显微硬度试验

依据GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》对试样1不同位置进行显微硬度试验，检测位置如图3所示，检测结果见表2。从表2可以看出，裂纹1尖端附近硬度不均匀，存在局部硬化区域，硬化区硬度值在340HV以上，正常区域硬度为227HV～237HV,参考GB/T 17394.4-2014《金属材料里氏硬度试验第4部分：硬度值换算表》,正常区域布氏硬度符合GB/T 8732-2014《汽轮机叶片用钢》标准要求，硬化区布氏硬度远高于标准要求上限。

为了确定硬化区域的范围，随机截取叶片横截面全尺寸试样，在靠近外弧面、中心、靠近内弧面3条线上，沿距出汽侧边缘不同距离进行显微硬度试验，结果见表3。依据硬度值的差异，得出硬化区域如图4所示，由图4可知，硬化区为距出汽侧边缘宽约20mm的区域，且硬度值均在315HV以上，正常区域硬度值为225HV左右，与上述试样1硬度检测结果基本一致。

图3试样1硬度测点示意图

2.4力学性能试验

受叶片尺寸限制，取靠近叶根处试样，依据GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在UTM5305HA电子万能试验机和PTM2302-D冲击试验机上进行室温拉伸和冲击试验，检验结果见表4。从表4可以看出，叶片的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收功满足GB/T 8732-2014《汽轮机叶片用钢》标准要求。

表2试样1硬度检测结果(HV)

表3横截面试样硬度检测结果(HV)

图4横截面试样硬化区实物图和示意图

表4叶片的室温力学性能

2.5显微组织分

图6试样1不同区域和裂纹1不同位置的金相照片

依据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》在Leica DMi8 C光学显微镜下对叶片进行非金属夹杂物分析，结果如图5所示。评定类别为D类球状氧化物，级别为D1,符合GB/T 8732-2014《汽轮机叶片用钢》中关于非金属夹杂物含量的要求。

图5叶片中的非金属夹杂物

对试样1不同硬度区域及裂纹1不同位置进行金相组织观察，结果如图6所示。从图6(a)～图6(c)可以看出，试样1组织不均匀，硬化区为细小回火马氏体组织，非硬化区为粗大的板条马氏体，硬化区和非硬化区有明显的分界线，均无δ铁素体。裂纹起源处为出汽侧边缘点坑，裂纹呈沿晶和穿晶混合形式扩展，主裂纹上存在大量呈树枝状的沿晶型分支裂纹，裂纹尖端附近存在二次裂纹。主裂纹上和分支裂纹上存在灰、黑色腐蚀产物，呈现出应力腐蚀开裂的特征，如图6(d)～图6(f)所示。

2.6 SEM及EDS能谱分析

图7裂纹1打开后扫描电镜下断口形貌

将裂纹1打开后，在JSM-7001F扫描电镜下观察断口形貌，结果如图7所示。从图7(a)可以看出，断口无明显塑性变形，断口齐平。裂纹源位于叶片出汽侧边缘的腐蚀坑处，裂纹萌生后沿着叶片横向扩展，扩展区无疲劳辉纹特征。断口上存在微小孔洞，孔洞内部观察到明显“泥坑状”形貌，且可以看到断口表面被腐蚀或氧化产物覆盖，如图7(b)和图7(c)所示。

对图7(a)中裂纹源处的腐蚀坑和裂纹1的中间部位进行能谱分析，结果如图8所示。发现在裂纹起源的腐蚀坑内含有S等腐蚀性元素和K、Ca盐类富集，如图8(a)和图8(b)所示，裂纹1附近为含Cl、S等元素的灰、黑色腐蚀产物，如图8(c)和图8(d)所示。

图8裂纹源腐蚀坑和裂纹1附近能谱分析结果

3、分析与讨论

从以上分析可知，叶片材料的化学成分、强度、塑韧性等指标符合标准要求，但是叶片出汽侧边缘存在宽约20mm的硬化区域，硬度值在315HV以上，已远超过标准要求上限。查阅出厂资料，叶片供货热处理状态为淬火+回火，应得到均匀的回火马氏体组织，但是实际热处理过程中工艺控制不当，导致出汽侧边缘较薄的部分冷却较快，形成了更细小的马氏体组织，获得不均匀组织的同时产生硬化区。组织的不均匀性会降低材料的耐腐蚀性能，所以在该位置更易形成点蚀坑[10,11,12,13]。

通常状态下，1Cr12Mo不锈钢具有良好的耐蚀性，在高温服役时表面会形成一层致密稳定的氧化膜，但是当蒸汽中带有Cl、S等腐蚀离子时，叶片表面的保护膜会受到侵蚀并且很快向纵深方向发展，使叶片产生点蚀坑，点蚀坑内易产生应力集中，受力后易萌生微裂纹，腐蚀介质的存在也会弱化晶界结合力，导致裂纹沿晶界扩展[4,5]。从裂纹源区蚀坑和裂纹附近能谱的分析结果可知存在S、Cl等腐蚀性元素，可见机组运行时汽水品质不佳。从断口观察结果可知，裂纹确实在出汽侧边缘的点蚀坑处萌生，而后呈沿晶和穿晶混合形式沿叶身横向、斜向扩展，在裂纹扩展区未见明显的疲劳贝纹线，叶片的失效模式为应力腐蚀开裂。

研究表明，材料发生应力腐蚀开裂的基本条件除弱的腐蚀介质外，还需要有拉应力[14,15]。转子在高速转动时，叶片的离心力产生沿叶身方向的拉应力，这是拉应力的主要来源。而叶片出汽侧边缘硬度和组织不均匀使该位置存在着较大残余应力，残余应力在应力腐蚀中也起着重要作用[16,17]。因此在叶片离心力带来的拉应力和残余应力的共同作用下，在应力集中的腐蚀点坑处萌生裂纹后，发生应力腐蚀开裂。

4、结论

(3) 叶片的失效模式为应力腐蚀开裂。

(4) (1)由于叶片热处理工艺控制不当，导致在出汽侧边缘形成宽约20mm的硬化层和不均匀马氏体组织，材料耐蚀性下降。

(5) (2)机组运行时汽水品质不佳，存在Cl、S等腐蚀元素，叶片叶身和出汽侧边缘形成腐蚀点坑。

(6) 在叶片离心力产生的拉应力和叶片组织不均匀带来的残余应力的共同作用下，在应力集中的出汽侧边缘点坑处萌生微裂纹，并发生应力腐蚀开裂。

参考文献：

[1]宋文希。谷伟伟,张永海,等某600MW汽轮机低压第6级动叶片断裂原因分析[J].汽轮机技术, 2018,60(1):66-68.

[2]黎华。卢忠铭,刘课秀,等火电厂汽轮机叶片开裂原因分析[J]理化检验物理分册, 2017,53(3):197-200.

[3]周正强,郑宏晔,胡洁梓,等135MW机组低压末级叶片裂纹原因分析[J]汽轮机技术, 2019,61(6):479-480.446.

[4]杨毅汽轮机叶片失效分析及预防[J]腐蚀与防护, 2020,41(6):62-66.

[5]秦承鹏,李梁600MW超临界机组低压转子叶片开裂分析[J.腐蚀与防护。2016,37(11 ):956-938,942.

[6]金俊先火电机组深度调峰经济性及末级叶片安全性研究[D]沈阳:沈阳工程学院, 2019.