黎 華, 盧忠銘, 劉課秀, 王 戀(廣州特種承壓設備檢測研究院, 廣州 510663)

火電廠汽輪機葉片開裂原因分析

黎 華, 盧忠銘, 劉課秀, 王 戀
(廣州特種承壓設備檢測研究院, 廣州 510663)

某火電廠汽輪機末級動葉片在停機檢修時發(fā)現端部進汽側背弧面上存在一段裂紋，運用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、斷口掃描及能譜分析等方法，對汽輪機葉片的開裂原因進行了分析。結果表明：汽輪機末級動葉片上的裂紋形成于進汽側背弧面上的水蝕坑處，動葉片承受的拉應力以及氯離子腐蝕的工作環(huán)境，導致葉片發(fā)生了晶間應力腐蝕開裂。

汽輪機葉片；開裂；氯離子；應力腐蝕開裂

某火力發(fā)電廠汽輪機停機檢修時發(fā)現多個末級動葉片開裂現象，該汽輪機組僅投入運行6 a(年)，累計運行約36 000 h，只達到理論設計壽命的一半[1-5]。汽輪機采用一次中間再熱循環(huán)，三缸雙排汽抽汽凝汽式結構，高壓缸進汽參數為16.7 MPa/537 ℃，低壓缸進汽參數為1.5 MPa/537 ℃，轉速3 000 r·min-1，額定功率300 MW。為了查明該汽輪機葉片開裂的原因，對葉片進行了一系列理化檢驗和分析，以避免類似失效事件的再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

汽輪機開裂葉片的宏觀形貌如圖1所示，開裂葉片為汽輪機正向末級葉片中的35號葉片，開裂均發(fā)生于葉片端部，裂口較直且斷面與葉片主軸方向基本垂直，未見明顯塑性變形，具有脆性開裂特征。葉片進汽側光滑無腐蝕現象，而背弧面邊緣上存在鋸齒狀水蝕現象。圖2所示為圖1中汽輪機葉片①，②開裂部位經人工打開的斷口形貌。

為進一步分析開裂原因，按圖1～2所示對開裂葉片取樣進行化學成分分析、沖擊試驗、硬度試驗、金相檢驗、斷口表面掃描電鏡及能譜分析。

1.2 化學成分分析

汽輪機葉片材料為1Cr12Ni3Mo2VN鋼，對開裂葉片圖1(a)中①，③位置取樣進行化學成分分析，試驗溫度為22 ℃，結果表明葉片的化學成分符合產品質量保證書的規(guī)定，見表1。

表1 開裂葉片化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the cracking blade (mass fraction) %

圖1 汽輪機開裂葉片的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracking turbine blade:(a) intake side; (b) extrados

圖2 汽輪機開裂葉片裂口橫截面形貌Fig.2 Fracture morphology of the cross section of the cracking turbine blade

1.3 沖擊試驗

對開裂葉片圖1(a)中④，⑤，⑥位置縱向取樣進行沖擊試驗，結果表明葉片的沖擊吸收能量符合產品質量保證書的規(guī)定，見表2。

表2 開裂葉片沖擊性能試驗結果Tab.2 Testing results of the impact property of the cracking blade

1.4 硬度測試

對圖2中裂口②位置毗鄰部位的橫截面進行了硬度測試，測試位置見圖3，每個測點間隔2 mm，結果表明葉片硬度的測試結果符合產品質量保證書的規(guī)定，見表3。

圖3 硬度測試位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the hardness testing positions

1.5 金相檢驗

為了了解葉片顯微組織及裂紋擴展情況，在開裂葉片圖1(a)中位置②，③的橫截面取樣進行金相檢驗。結果顯示葉片的顯微組織均為保持馬氏體位相的回火索氏體，葉片邊緣處的細小裂紋均起源于邊緣水蝕形成的坑洞中，縱深擴展基本與葉片主軸方向垂直，且存在樹枝狀分叉裂紋，見圖4(a)～(b)；裂紋沿晶擴展，見圖4(c)～(d)，毗鄰開裂部位邊緣的顯微組織中可見碳化物沿晶界聚集，見圖4(e)，遠離開裂部位的母材組織未見異常，見圖4(f)。

1.6 掃描電鏡及能譜分析

對圖1(a)中位置①裂口、位置⑤，⑥沖擊斷口等進行掃描電鏡觀察和能譜分析，結果表明裂口斷面①背弧面邊緣上存在深約1 mm的鋸齒狀毛刺，斷口形貌呈冰糖塊狀，局部可見核桃紋及泥紋腐蝕花樣，晶界處發(fā)現二次裂紋，具有典型的沿晶開裂特征，見圖5(a)～(b)。人工斷口①，⑤，⑥的微觀形貌均具有韌窩斷裂特征，見圖5(c)～(e)。能譜分析結果表明，葉片開裂斷口表面除基體金屬外，含有一定的氯元素，見圖5(f)及表4。

表3 開裂葉片的硬度測試結果Tab.3 Hardness testing results of the cracking blade

圖4 開裂葉片各部位顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of different areas of the cracking blade:(a) cross section at the edge of position ② (without etching); (b) cross section at the edge of position ③ (without etching);(c) cross section at the edge of position ② (after etching); (d) amplified local microstructure;(e) microstructure besides the edge of position ②; (f) microstructure besides the edge of position ③

圖5 開裂葉片各部位的掃描電鏡形貌及局部區(qū)域能譜Fig.5 SEM morphology of different areas and local energy spectrum of the cracking blade:(a) macro morphology of the manual fracture at position ①; (b) micro morphology of the fracture in rectangle area;(c) micro morphology of the artificial fracture of the position ① specimen;(d) micro morphology of the impact fracture of the position ⑤ specimen;(e) micro morphology of the impact fracture of the position ⑥ specimen;(f) energy spectrum of the fracture surface of the position ① specimen

表4 位置①試樣斷口表面各元素含量(質量分數)Tab.4 Chemical compositions of the fracture surface of the position ① specimen (mass fraction) %

2 分析與討論

綜合理化檢驗的結果，可知開裂葉片滿足產品質量證明書對1Cr12Ni3Mo2VN鋼化學成分、沖擊吸收能量及硬度的要求，葉片材質合格。

葉片開裂起源于葉片進汽側背弧面邊緣上的水蝕坑內，這是由于該區(qū)域更易富集汽水中的雜質溶解物。

根據斷口宏觀、微觀形貌分析，可知裂口無宏觀塑性變形，起裂區(qū)的微裂紋呈樹枝狀由邊緣向內部擴展。主裂紋與葉片上的離心拉應力垂直，具有應力腐蝕開裂(SCC)的宏觀特征。斷口微觀形貌呈冰糖塊狀，局部可見核桃紋及泥紋腐蝕花樣，具有典型的沿晶開裂特征。

由能譜分析可知，斷口表面除含有一定量的氯元素外還有較多的氧元素，而溶液中的溶解氧會加速氯化物應力腐蝕開裂，其陽極溶解模型見圖6。

圖6 SCC陽極溶解模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the anodic dissolution model for SCC

3 結論及建議

汽輪機末級動葉片上的開裂屬于氯離子應力腐蝕開裂。動葉片進汽側背弧面邊緣上的沖擊磨損蝕坑易于富集各類雜質，當富含溶解氧的汽水中存有氯離子時，在動葉片離心拉應力的作用下，容易導致氯離子應力腐蝕開裂。

為避免汽輪機在之后的正常運行中再次發(fā)生此類失效事件，建議采取以下措施。

(1) 防止冷卻工業(yè)水從凝汽器中泄漏進入鍋爐水系統，加強給水質量的監(jiān)督，提高蒸汽品質，將氯離子含量降到最低。

(2) 保持鍋爐潔凈，防止蒸汽中微小顆粒沖蝕葉片并發(fā)展為裂紋源。

(3) 加強汽輪機的停機保護，保持汽輪機通流部分干燥。

(4) 定期對汽輪機進行開缸檢查，特別要加強對葉片進行無損檢測，盡早發(fā)現開裂問題。

[1] 徐灝.機械設計手冊第一卷:機械設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[2] 王志奮,張友登,王俊霖，等.汽輪機葉片斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49 (增刊2)：270-273.

[3] 張亞明,夏邦杰,董愛華，等.熱電廠汽輪機葉片斷裂原因分析[J].腐蝕科學與防護技術,2009,21(6)：590-592.

[4] 虞挺.汽輪機葉片斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2007,43(5)：250-256.

[5] 張升才.汽輪機葉片斷裂失效分析[J].金屬熱處理,2006,31(10)：79-81.

Analysis on Fracture Reasons of Turbine Blades in a Heat-power Plant

LI Hua, LU Zhong-ming, LIU Ke-xiu, WANG Lian
(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection & Research Institute, Guangzhou 510663, China)

The last stage moving blades of a generators turbine in a heat-power plant were found cracking on extrados at the end of the steam admission side during maintenance downtime. The cracking reasons of the turbine blades were analyzed by macroscopic observation, chemical composition analysis, hardness testing, metallographic examination, fracture scanning and energy spectrum analysis. The results show that: the origin of the cracks was located in the water-eroded pits on the extrados surface of steam admission side of the last stage turbine blades; the intergranular stress corrosion cracking was caused by tensile stress of moving blades and the working environment of chloride ion corrosion.

turbine blade; cracking; chloride ion; stress corrosion cracking

2016-06-02

黎 華(1964-)，男，教授級高級工程師，碩士，主要從事特種設備檢驗研究工作，gzlihua@163.com。

10.11973/lhjy-wl201703011

TG172.5

B

1001-4012(2017)03-0197-04