張紅軍，朱立春，于在松，唐麗英

（西安熱工研究院有限公司, 西安 710032）

1 引言

護環(huán)是汽輪發(fā)電機組的主要部件之一，它對轉(zhuǎn)子端部繞組起著固定、保護、防止變形、位移和偏心作用。護環(huán)承受轉(zhuǎn)子繞組端部及自身的巨大離心力、彎曲應(yīng)力及熱套應(yīng)力等，此外護環(huán)鋼采用形變強化，具有一定的殘余應(yīng)力，它是汽輪發(fā)電機組承受應(yīng)力最高的部件。為了保證機組的安全運轉(zhuǎn)，護環(huán)要有足夠高的強度、高的塑性指標(biāo)、均勻的力學(xué)性能和最小的殘余應(yīng)力。對于 300MW 以上機組護環(huán)的屈服強度要求在1000MPa以上。護環(huán)是在強磁場和腐蝕介質(zhì)中工作，工作溫度在100℃以下，為減少端部線圈電流損失和防止工作溫度過高，護環(huán)一般采用奧氏體鋼制造。

由于護環(huán)特殊的工況和使用條件，需要其具有較高的抗應(yīng)力腐蝕能力。80年代前，護環(huán)基本用50Mn18Cr4系列鋼制造，經(jīng)過幾十年的運行實踐，發(fā)現(xiàn)50Mn18Cr4系列鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力較差，出現(xiàn)過多起應(yīng)力腐蝕開裂事故。為此，國內(nèi)外相繼開發(fā)了1Mn18Cr18N系列鋼，塑性和抗應(yīng)力腐蝕能力有較大提高[1～4]。目前國內(nèi)的300MW以上發(fā)電機護環(huán)基本上均采用1Mn18Cr18N系列鋼，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其性能作了明確要求[5]。

一些公開發(fā)表的文獻對50Mn18Cr4系列鋼護環(huán)的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的報道較多[6，7]，對1Mn18Cr18N鋼應(yīng)力腐蝕性能的試驗研究也不少，但未見實際使用1Mn18Cr18N鋼護環(huán)的應(yīng)力腐蝕開裂報道。本文對某電廠300MW燃煤發(fā)電機1Mn18Cr18N鋼護環(huán)的裂紋性質(zhì)和材質(zhì)狀態(tài)進行了分析。

2 護環(huán)開裂情況

某電廠300MW燃煤發(fā)電機組累計運行5萬余小時，共啟停123次。在發(fā)電機護環(huán)檢驗中，發(fā)現(xiàn)勵側(cè)護環(huán)本體側(cè)外表面存在多處裂紋，裂紋走向基本與護環(huán)軸向平行，裂紋的滲透探傷典型照片見圖1。此護環(huán)為懸掛式結(jié)構(gòu)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部繞組冷卻方式為氫冷，護環(huán)材質(zhì)為1Mn18Cr18N。

3 試驗方法及結(jié)果

3.1 宏觀檢查

對護環(huán)存在裂紋的部位取樣進行超聲波清洗，清洗后肉眼可清晰地觀察到護環(huán)環(huán)鍵鍵槽處的裂紋形貌和銹蝕斑點，裂紋處基本無塑性變形，表現(xiàn)為脆性開裂，見圖2。護環(huán)內(nèi)壁環(huán)鍵鍵槽處的裂紋數(shù)量明顯高于護環(huán)外表面的裂紋數(shù)量。其中裂紋B在端面處裂透。

圖1 護環(huán)裂紋照片

圖2 裂紋形貌

3.2 金相組織

裂紋B橫向方向的光學(xué)金相組織（OM）見圖3，腐蝕前，主裂紋附近有大量的二次裂紋，主裂紋寬而長，二次裂紋窄而細，裂紋擴展方向為由內(nèi)向外；腐蝕后，裂紋形態(tài)同腐蝕前，主裂紋和二次裂紋均為穿晶裂紋，裂紋附近母材的組織為奧氏體，從該方向看奧氏體晶?；境实容S狀，奧氏體晶粒內(nèi)存在鍛造加工時保留下來的大量的滑移線。

圖3 裂紋B的橫向形貌

3.3 掃描電子顯微鏡和X射線能譜試驗

3.3.1 裂紋B的低溫斷口

對裂紋B制取低溫斷口試樣，即將含有裂紋B的試塊置于液氮中浸泡，而后將其在低溫下沿其裂紋面折斷。折斷后的低溫斷口宏觀形貌見圖4，其中白亮處為低溫打斷斷口，可見裂紋B并沒有將其兩側(cè)的母材完全分離，存在部分粘連；其余部分為裂紋原始斷口，斷口表面顏色灰暗。

對低溫斷口在掃描電子顯微鏡（SEM）上觀察，裂紋原始斷口無論是在裂紋源區(qū)（環(huán)鍵鍵槽表面），還是在裂紋擴展區(qū)以及裂紋尖端，斷口表面呈泥紋花樣，表現(xiàn)為穿晶斷裂，平坦面上分布有龜裂裂紋，平坦面并不是斷口金屬的真實面貌，而是斷面上覆蓋了一層腐蝕產(chǎn)物，見圖5（a）、（b）、（c），斷口表面存在較多數(shù)量的二次裂紋，見圖5（d）。X射線能譜（EDS）分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷口源區(qū)、擴展區(qū)和裂紋尖端均有含量不等的Cl、Ca、K、Na、O和S等元素存在，能譜分析區(qū)域中氯元素含量最高為7.65%，見圖6。環(huán)鍵鍵槽表面的腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物中也含有Cl、Ca、O和Al等元素。

圖4 低溫斷口宏觀照片

圖5 裂紋B的低溫斷口SEM照片

圖6 裂紋面的EDS分析結(jié)果

3.3.2 裂紋B金相樣的SEM觀察

裂紋B金相樣的SEM觀察結(jié)果見圖7，裂紋由主裂紋和分支裂紋（二次裂紋）組成，主裂紋寬而長，二次裂紋窄而短，主裂紋附近有大量的二次裂紋。

3.4 材質(zhì)狀態(tài)

3.4.1 化學(xué)成分

護環(huán)的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，各合金元素的含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7030-2002《300MW～600MW汽輪發(fā)電機無磁性護環(huán)鍛件技術(shù)條件》的要求，雜質(zhì)元素S、P含量較低，Al、B元素未檢出。

圖7 裂紋B的SEM照片

表1 護環(huán)化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

3.4.2 力學(xué)性能

圖8和圖9分別給出護環(huán)的100℃橫向拉伸性能和沖擊性能，取樣位置為整周90°均布，即按照時鐘的0點、3點、6點和9點取樣，拉伸性能和沖擊性能均勻，力學(xué)性能良好，綜合力學(xué)性能試驗結(jié)果，該護環(huán)的力學(xué)性能滿足JB/T 7030-2002規(guī)定的III級鍛件的要求。

圖8 拉伸性能

圖9 沖擊性能

4 分析與討論

4.1 材質(zhì)分析

護環(huán)的化學(xué)成分和力學(xué)性能良好，且力學(xué)性能均勻，與一些文獻上的數(shù)據(jù)相當(dāng)[3,4]，符合III級鍛件要求。護環(huán)在5萬多小時的運行過程中，亦未發(fā)現(xiàn)超溫現(xiàn)象。由此，基本可排除由護環(huán)材質(zhì)不良引起的開裂。

4.2 裂紋數(shù)量

護環(huán)內(nèi)壁環(huán)鍵鍵槽表面的裂紋數(shù)量明顯高于外表面，有些裂紋已裂透于端面處，如圖2中的裂紋B。從裂紋數(shù)量上可初步推斷，護環(huán)的裂紋源區(qū)為內(nèi)壁環(huán)鍵鍵槽表面。

4.3 裂紋形貌

裂紋的形貌見圖3和圖7，裂紋在擴展過程中出現(xiàn)明顯的分支，即存在分叉和分支裂紋。裂紋在擴展中常常會出現(xiàn)分支，稱為支裂紋（或次生裂紋），主裂紋較支裂紋寬而長，裂紋源區(qū)一定在主裂紋中，且裂紋源的方向通常與支裂紋的擴展方向相反。同時，裂紋主要為穿晶裂紋。

根據(jù)裂紋的擴展方向，從裂紋的形貌上亦可推斷，護環(huán)的裂紋源區(qū)為護環(huán)環(huán)鍵鍵槽內(nèi)表面。

4.4 腐蝕產(chǎn)物

護環(huán)內(nèi)壁環(huán)鍵鍵槽表面處和裂紋B的低溫斷口上均存在大量的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物中包括Cl、Ca、K、Na、O和S等非鋼中本身含有的有益合金元素。裂紋B的低溫斷口表面顏色灰暗，在SEM下斷口呈泥紋狀花樣。由于奧氏體鋼對氯離子非常敏感，僅幾個 ppm的氯離子就會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。氯離子出現(xiàn)在裂紋面上表明護環(huán)在運行過程中受到了氯離子的腐蝕。

4.5 護環(huán)結(jié)構(gòu)

護環(huán)是汽輪發(fā)電機組的主要部件之一，它的作用是保護發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端的線圈在離心力的作用下不向外飛出。它被熱套裝在轉(zhuǎn)子上，因此，護環(huán)除受線圈和自身的離心力作用外，還受熱裝應(yīng)力的作用，它是汽輪機組承受應(yīng)力最高的部件。除此之外，護環(huán)鋼1Mn18Cr18N經(jīng)過變形強化處理，存在一定的殘余應(yīng)力。

本試驗護環(huán)為懸掛式結(jié)構(gòu)，環(huán)鍵鍵槽處的壁厚最薄，不考慮應(yīng)力集中的影響，其承受的載荷大，同時由腐蝕產(chǎn)物可判斷其在氯離子腐蝕環(huán)境下工作，故易萌生裂紋。

由護環(huán)材質(zhì)分析結(jié)果、裂紋數(shù)量、裂紋形貌、護環(huán)內(nèi)壁和裂紋斷面上的腐蝕產(chǎn)物、低溫斷口形貌以及護環(huán)的受力狀況可推斷護環(huán)開裂系應(yīng)力腐蝕引起，裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋源位于環(huán)鍵鍵槽內(nèi)表處，由環(huán)鍵鍵槽內(nèi)表面向金屬內(nèi)部擴展。

5 結(jié)論

（1）護環(huán)開裂系由氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋源位于護環(huán)環(huán)鍵鍵槽的內(nèi)表面處，裂紋宏觀上表現(xiàn)為脆性開裂，微觀上穿晶擴展，主裂紋附近含有大量的支裂紋，裂紋面呈泥紋狀花樣；

（2）運行5萬多小時的1Mn18Cr18N鋼護環(huán)的材質(zhì)狀態(tài)良好。

[1]周維智，孫曉潔，徐國濤. Mn18Cr18鋼護環(huán)生產(chǎn)工藝研究概況[J]. 大型鑄鍛件，2001（1）：52-54.

[2]韓永輝. 汽輪機發(fā)電機護環(huán)的應(yīng)力腐蝕[J]. MC現(xiàn)代零部件，2005（3）：148-150.

[3]孫茂才，王日昆，郭成海. 護環(huán)的組織與性能研究[J].大電機技術(shù)，2000（6）：30-32.

[4]張進，李靜媛，王一德等.Mn18Cr18高氮鋼熱加工工藝的研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2009，34（1）：10-13.

[5]JB/T 7030-2002,300MW～600MW汽輪發(fā)電機無磁性護環(huán)鍛件技術(shù)條件[s].

[6]崔力，王莉君，李耀君. 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)開裂及其裂紋擴展的機理分析[C]//全國第四屆電站金屬構(gòu)件失效分析與壽命管理學(xué)術(shù)會議論文集.西安：西安熱工研究所，1994： 713-730.

[7]王莉君. 汽輪發(fā)電機護環(huán)的應(yīng)力腐蝕開裂機理研究及防護措施的探討[R]. 西安：西安熱工研究所，1992.