石泉江

( 中國人民解放軍92730 部隊，海南 三亞572016)

0 引 言

汽輪機(jī)葉片所處的工況條件及環(huán)境極為惡劣，主要表現(xiàn)在應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等方面。當(dāng)葉片發(fā)生斷裂時，斷口往往出現(xiàn)在葉根部位，其中很大一部分屬于疲勞斷裂［1］。

金屬材料疲勞破壞機(jī)制是金屬材料在交變應(yīng)力或交變應(yīng)變的作用下，某點或某些點逐漸產(chǎn)生了永久性結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程。

疲勞破壞與靜力破壞有著本質(zhì)的不同，在交變載荷作用下，零件中的交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限的情況下，破壞就可能發(fā)生。不管是塑性或彈性材料，疲勞斷裂在宏觀上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然斷裂，故疲勞斷裂常表現(xiàn)為低應(yīng)力脆性斷裂。這一特征使疲勞破壞具有更大的危險性。疲勞破壞是一個累積損傷的過程，需經(jīng)歷一定的時間歷程，甚至很長的時間歷程［2-3］。

1 葉片斷裂情況

某型汽輪機(jī)通流部分由復(fù)速級和壓力級組成，其中復(fù)速級為直葉片，根部采用倒T 型葉根形式。機(jī)組在使用過程中出現(xiàn)了復(fù)速級葉片斷裂的故障，經(jīng)拆檢，斷裂部位為T 型葉根的上危險截面。

在故障發(fā)生后，設(shè)計人員立即展開了故障原因的排查和清理，并通過宏觀檢測分析、斷口綜合分析、微觀組織結(jié)構(gòu)觀察等手段對失效葉片進(jìn)行檢測與分析［4-6］。

2 失效葉片的理化檢驗與分析

2.1 宏觀檢測

斷裂后的葉片分為葉身和葉根2 部分，圖1 為葉身端斷口的宏觀照片。葉片的斷面平坦，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的沿晶斷裂，瞬斷區(qū)面積占總面積相對較小，因此可以判斷葉片的失效模式為由于疲勞產(chǎn)生的斷裂。根據(jù)斷口的宏觀表象，裂紋源起始于出汽側(cè)內(nèi)緣(疲勞源1)，并擴(kuò)展至進(jìn)汽側(cè)外緣(疲勞源2)。

圖1 斷口宏觀照片F(xiàn)ig.1 The natural picture of the fracture for the blade

2.2 化學(xué)成分分析

失效葉片采用1Cr13 馬氏體不銹鋼，表1 為材料的化學(xué)成分分析結(jié)果，對比表中的數(shù)據(jù)和ZBK54023-88 標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)可以看出，失效葉片的化學(xué)成分滿足零件理化檢驗的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效葉片用鋼的化學(xué)成分Tab.1 The chemical constitution for the metal of the fracture blades

2.3 材料組織分析

對斷裂葉片進(jìn)行金相組織觀察和顯微硬度分析。圖2 為斷裂葉片樣品的金相組織，從顯微組織圖片中可以看出，斷裂葉片材料的組織為馬氏體組織。

圖2 斷裂葉片的金相組織Fig.2 The metallurgical structure of the fracture blade

表2 為葉片不同部位的顯微硬度值，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，該葉片的顯微硬度值基本上在250 HV 左右，結(jié)合金相圖片和顯微硬度值，可以判斷該材料組織為回火后的馬氏體組織。

表2 不同部位的顯微硬度分布Tab.2 The microcosmic distribution of the hardness on different zone of the fracture blades

2.4 夾雜物分析

將斷裂葉片材料進(jìn)行隨機(jī)抽樣，按葉片的根部和葉身部，參考夾雜物評級標(biāo)準(zhǔn) (GB/T10561-2005 或ASTM E45-2005)進(jìn)行夾雜物檢驗分析，結(jié)果見表3。從表中可以看出，該葉片材料的主要夾雜物類型為B 類、C 類和D 類，且B 類和D 類夾雜物含量比C 類的要略高。

根據(jù)夾雜物檢測結(jié)果，對照GB/T10561-2005夾雜物評級標(biāo)準(zhǔn)，該材料滿足標(biāo)準(zhǔn)中對夾雜物的級別要求。

表3 失效葉片用鋼的夾雜物分析結(jié)果Tab.3 The analysis results of the foreign material for the metal of the fracture blades

2.5 力學(xué)性能

表4 為不同試樣葉片力學(xué)拉伸試驗結(jié)果，從試驗結(jié)果可以看出，材料變形區(qū)間較為明顯且區(qū)間范圍基本一致，各試樣的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均滿足材料性能要求。

表4 葉片力學(xué)拉伸試驗結(jié)果Tab.4 The test results of the mechanical property for different blades

3 斷口綜合分析

3.1 裂紋的微觀分析

在完成材料的理化檢驗后，通過掃描電鏡對葉片斷口進(jìn)行了微觀分析，圖3 為葉身端斷口的宏觀形貌圖。圖4 為圖3 中A 區(qū)域的微觀形貌圖，從裂紋源附近的放大區(qū)域中可以看到疲勞條帶的存在，如圖4 (b)所示。圖5 為葉根端斷口相對應(yīng)A 區(qū)域處的裂紋源，從圖中可以明顯看出裂紋起源和裂紋擴(kuò)展區(qū)。

圖6(a)為對應(yīng)斷裂根部處發(fā)現(xiàn)的疲勞條帶。從圖中可以看出，整個材料的斷口表面相對較為平整，主要呈現(xiàn)河流狀花樣，同時存在少量的二次裂紋，如圖6(b)所示。

綜合判斷，材料的裂紋起源于葉片T 型的邊緣部位，并逐漸向中心部位擴(kuò)展。

3.2 裂紋的擴(kuò)展

疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀模式受材料的滑移特性、顯微組織特征尺寸、應(yīng)力水平及裂紋尖端塑性區(qū)尺寸等的強(qiáng)烈影響。一般可將疲勞裂紋的擴(kuò)展分為3個階段，如圖7所示。

圖7 疲勞裂紋擴(kuò)展階段的示意圖Fig.7 The schematic plan of the different expansion stage for the fatigue crack

對于大多數(shù)合金而言，第Ⅰ階段裂紋擴(kuò)展通常都很短，一般只有2 ～5 個晶粒。但該階段在總的疲勞壽命中所占的比例并不一定很小，當(dāng)應(yīng)力幅較低時，所占比例甚至可達(dá)總壽命的90%。該區(qū)域的微觀斷口形貌極其復(fù)雜，可能出現(xiàn)的形貌特征有摩擦痕跡、滑移線、類解理形貌(如河流、羽毛、舌頭等)、早期疲勞條帶、沿晶、混合形貌等斷口特征;當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍較高時，裂紋尖端塑性區(qū)跨越多個晶粒，這時裂紋擴(kuò)展沿2 個滑移系統(tǒng)同時或交替進(jìn)行，即第Ⅱ階段擴(kuò)展。疲勞條帶是該階段的典型微觀形貌特征;當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍很高時，裂紋尖端塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)大于晶粒直徑，此時裂紋擴(kuò)展類似靜態(tài)加載時的裂紋擴(kuò)展，在韌性材料的斷口上會形成顯微空洞聚集方式的韌窩形貌，有時還會出現(xiàn)準(zhǔn)解理、解理和沿晶開裂的形貌特征。

4 結(jié) 語

1)通過宏觀和微觀斷口觀察分析，葉片的失效模式為由于疲勞產(chǎn)生的斷裂，裂紋源起始于出汽側(cè)內(nèi)緣，后擴(kuò)展至進(jìn)汽側(cè)外緣;

2)通過材料的理化檢驗，葉片材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度值、夾雜物等級均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;

3)在疲勞裂紋源處未見明顯夾雜物、縮孔等材料缺陷因素，故判斷裂紋起源為應(yīng)力集中導(dǎo)致，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展，葉片最終發(fā)生斷裂。

［1］林德源，陳開路，陳秉忠，等.汽輪機(jī)葉片T 形葉根的超聲橫波探傷［J］.無損檢測，2005，27(10):556-558.

LIN De-yuan，CHEN Kai-lu，CHEN Bing-zhong，et al.Ultrasonic testing of the T-shaped root of turbine blade by shear waves［J］.Nondestructive Testing，2005，27(10):556-558.

［2］范天佑.斷裂動力學(xué)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

FAN Tian-you.The fundamentals and applications of fracture dynamics［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2006.

［3］陳傳堯.疲勞與斷裂［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002.

CHEN Chuan-yao.Fatigue and fracture［M］.Wuhan:Huazhong University of Science ＆ Technology Press，2002.

［4］蔣志強(qiáng)，朱達(dá)，盛德仁，等.135MW 汽輪機(jī)末級葉片斷裂原因的分析［J］.動力工程，2006，26(4):491-494.

JIANG Zhi-qiang，ZHU Da，SHENG De-ren，et al.Fracture analysis of a 135MW steam turbine′s last stage blade［J］.Journal of Power Engineering，2006，26(4):491-494.

［5］劉爽，趙永寧，劉玉智.200MW 汽輪機(jī)末級葉片斷裂原因分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2011，53(4):311-314.

LIU Shuang，ZHAO Yong-ning，LIU Yu-zhi.Fracture reason analysis of last stage blade of 200MW steam turbine［J］.Turbine Technology，2011，53(4):311-314.

［6］李慶，鄭磊.某電廠5 號機(jī)組次末級葉片葉根開裂分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2011，53(5):386-388.

LI Qing，ZHENG Lei.Analysis of blade root rupture in L-1 stage of No.5 unit［J］.Turbine Technology，2011，53(5):386-388.