王軍明，商顯棟，張 號(hào)，張 元，郭相吉，仇性啟

(1.中國(guó)石化齊魯分公司熱電廠(chǎng)，山東 淄博 255400；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子工作環(huán)境為高溫高壓蒸汽，并且高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)受多種復(fù)雜、交變的作用力。葉輪是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中承受應(yīng)力最大的零件之一。由于蒸汽中含有微量雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)在葉輪幾何過(guò)渡處的局部濃縮，經(jīng)常導(dǎo)致葉輪應(yīng)力集中部位發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[1-3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉輪開(kāi)裂主要發(fā)生在輪緣和鍵槽處，葉輪側(cè)表面和內(nèi)孔也可能發(fā)生開(kāi)裂[4-7]。葉片根部與輪緣之間的接觸作用、零件加工和結(jié)構(gòu)裝配，輪緣葉根槽處會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中[8]。2015年我國(guó)北方某熱電公司某汽輪機(jī)組突然發(fā)生爆炸燃燒，造成直接經(jīng)濟(jì)損失近1 000萬(wàn)元，所幸未造成人員傷亡。調(diào)查組經(jīng)技術(shù)分析認(rèn)為，事故原因是由于某級(jí)葉輪輪緣在運(yùn)行中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂直至葉輪斷裂，機(jī)組軸系嚴(yán)重失衡，導(dǎo)致油氣泄漏并發(fā)生劇烈爆炸和燃燒。吳誠(chéng)德[9]對(duì)某葉輪輪緣開(kāi)裂進(jìn)行了失效分析，認(rèn)為應(yīng)力腐蝕裂紋造成了葉輪輪緣局部開(kāi)裂。輪緣開(kāi)裂是汽輪機(jī)葉輪失效行為中非常重要的一種，若裂紋不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，任其發(fā)展，會(huì)造成輪緣斷裂和葉片飛脫，轉(zhuǎn)子嚴(yán)重失衡，后果不堪設(shè)想，有必要對(duì)其失效機(jī)理有必要進(jìn)行深入分析。

1 失效概況

某熱電廠(chǎng)汽輪機(jī)在進(jìn)行壽命評(píng)估檢驗(yàn)的過(guò)程中，經(jīng)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)末四級(jí)(共17級(jí))葉輪出汽側(cè)輪緣外表面開(kāi)裂，共發(fā)現(xiàn)2處環(huán)向裂紋(裂紋1和裂紋2)。其中，裂紋1長(zhǎng)度約為70 mm，裂紋2長(zhǎng)度約為50 mm。開(kāi)裂位置及裂紋形貌如圖1所示。兩處裂紋位置及形貌類(lèi)似，選取裂紋1進(jìn)行解剖分析，葉輪材料為34CrNi3Mo。

對(duì)開(kāi)裂部位進(jìn)行超聲波探傷，現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示，結(jié)果顯示，裂紋1深度為9 mm左右。同時(shí)發(fā)現(xiàn)此開(kāi)裂葉輪附近覆蓋有大量白色附著物，白色附著物在葉輪表面普遍存在。如圖3所示。為探究其開(kāi)裂原因，在葉輪開(kāi)裂部位取樣進(jìn)行失效分析。

圖3 葉輪白色附著物

2 宏觀(guān)檢查

在葉輪裂紋1處進(jìn)行切割取樣，所取樣品如圖4(a)所示；沿裂紋中部徑向解剖后觀(guān)察發(fā)現(xiàn)輪緣已完全裂透，且葉根底部與葉輪槽間隙處填充金屬墊片，如圖4(b)所示。金屬墊片結(jié)構(gòu)的存在會(huì)使葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部承受較大的拉應(yīng)力。即開(kāi)裂部位為葉片根部應(yīng)力集中處。

圖4 葉輪試樣及裂紋形貌

在靠近表面裂紋的非裂紋處沿徑向解剖試樣，徑向截面如圖5所示。觀(guān)察可知，此處裂紋并未完全裂透，可判斷裂紋由葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部向外部開(kāi)裂，裂紋尖端呈樹(shù)枝狀分布。

圖5 未裂透葉輪試樣

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 金相組織分析

對(duì)葉輪反T形槽內(nèi)壁正常部位取樣，進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)所示，金相組織為回火索氏體且組織正常。對(duì)葉輪反T形槽開(kāi)裂部位取樣進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖6(b)所示，基體組織為回火索氏體。裂紋以沿晶開(kāi)裂為主，尖端呈樹(shù)枝狀分布。

圖6 葉輪微觀(guān)組織

3.2 掃描電鏡分析

將葉輪樣品沿裂紋1打開(kāi)，斷口形貌如圖7所示。發(fā)現(xiàn)斷口表面覆蓋有大量白色的腐蝕產(chǎn)物。

圖7 裂紋斷口形貌

斷口經(jīng)清洗后置于掃描電鏡下觀(guān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示。斷口大部分被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，但裸露出的部分為冰糖狀花樣斷口，斷口為應(yīng)力及腐蝕產(chǎn)物共同作用的結(jié)果，斷口為典型的脆性斷口，如圖8(a)所示。冰糖狀花樣處斷口放大后可觀(guān)察到大量沿原奧氏體晶界開(kāi)裂的二次裂紋，如圖8(b)所示。圖8(c)為腐蝕產(chǎn)物的微觀(guān)形貌。由斷口分析可知，1號(hào)裂紋斷口具有典型的應(yīng)力腐蝕斷裂形貌。

圖8 斷口微觀(guān)形貌

3.3 斷口能譜分析

對(duì)圖3所示開(kāi)裂葉輪附近白色附著物進(jìn)行能譜分析，微觀(guān)形貌見(jiàn)圖9，結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，白色附著物含有大量Na、S等腐蝕敏感元素。

圖9 白色附著物形貌及測(cè)試位置

表1 白色附著物能譜分析結(jié)果 %

對(duì)葉輪出汽側(cè)反T形槽內(nèi)壁上方根部開(kāi)裂內(nèi)表面處腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，微觀(guān)形貌見(jiàn)圖10，結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物中含有Na、Cl等腐蝕敏感元素。

圖10 內(nèi)表面處腐蝕產(chǎn)物形貌及測(cè)試位置

表2 內(nèi)表面處腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

3.4 化學(xué)成分分析

葉輪的設(shè)計(jì)材質(zhì)為34CrNi3Mo，取樣對(duì)輪緣進(jìn)行化學(xué)成分分析，判斷其材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表3。據(jù)分析結(jié)果可知，葉輪的化學(xué)成分符合《JB/T 1266—2014 25MW～200MW汽輪機(jī)輪盤(pán)及葉輪鍛件技術(shù)條件》[10]中對(duì)34CrNi3Mo的要求。

表3 葉輪化學(xué)成分分析結(jié)果 %

4 開(kāi)裂原因分析

4.1 開(kāi)裂特征分析

由現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察和宏觀(guān)檢查可知，開(kāi)裂葉輪附近覆蓋大量白色附著物，裂紋起裂于葉輪出汽側(cè)反T形槽內(nèi)壁上方根部。裂紋大體走向與工作應(yīng)力方向基本垂直[11]。葉根底部與葉輪槽間隙處填充金屬墊片，會(huì)使葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部運(yùn)行過(guò)程中承受較大的拉應(yīng)力及離心力。開(kāi)裂部位為應(yīng)力集中處。

由金相組織檢驗(yàn)結(jié)果可知，葉輪材料金相基體組織為回火索氏體且金相組織正常，裂紋以沿晶開(kāi)裂為主，尖端呈樹(shù)枝狀分布，有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂紋形貌特征。

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，材料材質(zhì)為34CrNi3Mo，成分符合JB/T 1266—2014的要求，且此材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性[12]。

由掃描電鏡和能譜分析結(jié)果可知，斷面存在大量腐蝕產(chǎn)物，存在二次沿晶開(kāi)裂裂紋，斷口裸露處為冰糖狀花樣，斷口為脆性斷口，具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂斷口特征。

綜上所述，此葉輪輪緣開(kāi)裂屬于典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

4.2 斷裂過(guò)程分析

在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部受到裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力、離心力等應(yīng)力的復(fù)合作用，金屬墊片的存在增大了此處的擠壓應(yīng)力，同時(shí)此處為幾何不連續(xù)處，應(yīng)力集中嚴(yán)重。

末四級(jí)葉輪工作在濕蒸汽環(huán)境中[13]，蒸汽內(nèi)存在的腐蝕性元素Na、Cl、S等，與水形成電解液，滲入葉輪輪緣處，造成電化學(xué)腐蝕。葉輪反T形槽內(nèi)壁上方根部的應(yīng)力集中促使此處成為裂紋源，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。裂紋大致沿與復(fù)合應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展，直至完全裂透。

5 結(jié) 論

汽輪機(jī)葉輪輪緣反T形槽內(nèi)壁上方根部存在嚴(yán)重應(yīng)力集中，運(yùn)行過(guò)程中Na、Cl、S等腐蝕敏感元素在此處長(zhǎng)期積聚易形成腐蝕環(huán)境，最終形成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。汽輪機(jī)定期檢修過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該處埋藏缺陷的檢查。