劉志敏，石永鋒

(上海華電閔行能源有限公司， 上海 201108)

汽機輪是重要的發(fā)電設(shè)備之一。汽輪機葉片的工作條件惡劣，其可靠性對機組的安全穩(wěn)定運行有重要影響。在實際運行過程中，汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片經(jīng)常發(fā)生斷裂失效等問題，嚴(yán)重影響了機組的正常運行。

筆者對某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片斷裂進行綜合分析，采用宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、斷口分析和金相組織分析等手段進行研究，以為同類型機組的同類情況提供參考。

1 機組概況

該燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機為次高壓、單缸、單軸、雙壓、無再熱、無回?zé)?、抽汽凝汽式汽輪機，型號為LZC80-7.80/0.65/0.15。汽缸的第1～5級為雙層結(jié)構(gòu)，其后為單層結(jié)構(gòu)，通流部分共由15級壓力級組成。

該機組運行期間汽輪機軸承振動突增，觸發(fā)汽輪機危機跳閘保護系統(tǒng)(ETS)動作，使汽輪機跳閘。機組停機后揭缸檢查發(fā)現(xiàn)末級(第15級)的57號葉片發(fā)生斷裂，并造成同級部分葉片損傷，葉片斷裂面距葉片頂部約280 mm。末級葉片參數(shù)見表1，葉片結(jié)構(gòu)形式為雙焊拉筋成組葉片，材料為0Cr17Ni4Cu4Nb-T6(Ⅱ)，葉根為樅樹型葉根，并采用釬焊司太立合金片的防水蝕措施。

表1 末級葉片參數(shù)

末級葉片上部進汽側(cè)水蝕嚴(yán)重，幾乎所有末級葉片距葉頂280 mm處均存在寬3～7 mm的缺口，葉根出汽側(cè)也存在不同程度的水蝕坑[1]，水蝕情況見圖1。

圖1 低壓轉(zhuǎn)子末級葉片損傷情況

對機組運行歷史數(shù)據(jù)進行調(diào)查分析，包括機組負荷、進排汽參數(shù)、軸振、抽汽參數(shù)、背壓、蒸汽品質(zhì)等。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從機組投運以來，汽輪機背壓總體呈階段性遞增趨勢。投運初期，汽輪機背壓最低(為2.02 kPa)，在后續(xù)運行中，年平均汽輪機背壓都在設(shè)計額定背壓(3.4 kPa)以上，初步排除真空過高對末級葉片的影響。調(diào)查未發(fā)現(xiàn)機組有異物進入、動靜碰摩、超速等現(xiàn)象。

針對葉片斷裂問題，對低壓轉(zhuǎn)子末級的57號葉片和12號葉片進行檢查，57號葉片在機組異常停機時斷裂，12號葉片存在裂紋，次末級無損檢測未見異常。

2 材料理化檢驗與斷口分析

2.1 宏觀檢驗

57號葉片及其斷口的宏觀形貌見圖2。由圖2可以看出：斷面較平為平滑，疲勞斷口特征明顯；斷面部分區(qū)域氧化程度重于其他區(qū)域，說明該區(qū)域最先開裂，為疲勞源和疲勞擴展區(qū)，其他區(qū)域氧化程度較輕，為瞬斷區(qū)。

圖2 57號葉片及其斷口的宏觀形貌

12號葉片的宏觀形貌及裂紋形貌見圖3?？騼?nèi)區(qū)域存在一處裂紋(見圖3(a))，裂紋位于焊接司太立合金末端，由葉片邊緣向內(nèi)發(fā)展(見圖3(b))。

圖3 12號葉片的宏觀形貌和裂紋形貌

發(fā)生斷裂的57號葉片和存在裂紋的12號葉片開裂位置相同，為進汽側(cè)距葉頂280 mm處，此處為焊接司太立合金末端[2]。司太立合金與葉片母材交界處有一處凹陷，結(jié)構(gòu)上不連續(xù)，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋源。異常停機后對機組末級葉片進行磁粉檢驗，存在裂紋的葉片號為4、8、12、13、16、19、40、72、73、74、77、80、89、91、92；無磁痕顯示的葉片號為1、9、18、20、22、24、26、28、29、32、34、36、37、56、60、71、75、95。末級葉片的裂紋和開口位置見圖4。

圖4 末級葉片的裂紋和開口位置

2.2 化學(xué)成分分析

用線切割在57號葉片上切取15 mm×15 mm×3 mm的金屬薄片，用火花直讀光譜儀進行成分測定，結(jié)果見表2。由表2可知：57號葉片除Cr、S含量偏高，其他元素含量均符合GB/T 8732—2004 《汽輪機葉片用鋼》的要求。

表2 57號葉片化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3 力學(xué)性能試驗

按照圖5的拉伸試樣尺寸分別從57號和12號葉片上切取2個拉伸試樣，編號為57-1、57-2、12-1和12-2，具體取樣位置見圖6。

圖5拉伸試樣尺寸

圖6 57號和12號葉片拉伸試樣的取樣位置

拉伸試驗結(jié)果見表3。由表3可知：除12-1試樣的屈服強度偏低，其他試樣的力學(xué)性能均符合GB/T 8732—2004的要求。

表3 拉伸試驗結(jié)果

2.4 斷口形貌分析

對57號葉片斷口用掃描電子顯微鏡(SEM)進行形貌分析，觀察位置見圖7，其中：Ⅰ區(qū)域為疲勞裂紋源，Ⅱ區(qū)域為疲勞裂紋擴展區(qū)，Ⅲ、Ⅳ區(qū)域分別為裂紋的加速擴展和瞬斷區(qū)。

圖7 57號葉片斷口表面的觀察位置

葉片斷口的SEM形貌掃描結(jié)果見圖8。

圖8 葉片斷口的SEM形貌掃描結(jié)果

由圖8可知：裂紋源處斷口表面有明顯的細小凹坑，由于葉片進汽側(cè)存在水蝕現(xiàn)象，細小的凹坑可能是該部位開裂后水蝕造成；距離裂紋源約3 mm處斷口平整，為裂紋的早期擴展區(qū)；疲勞裂紋擴展區(qū)斷口表面平整，箭頭指向處為疲勞貝紋線，疲勞裂紋產(chǎn)生后，沿貝紋線發(fā)展方向(箭頭的相反方向)擴展，具有典型的馬氏體耐熱鋼疲勞擴展輝紋特征。在瞬斷區(qū)，有與疲勞區(qū)不同的韌窩特征。

2.5 金相組織分析

取57號葉片疲勞源區(qū)試樣進行金相組織分析，取樣位置見圖9。

圖9 57號葉片金相試樣取樣位置

用OLYMPUS GX71金相顯微鏡觀察疲勞源及其下方5 mm處顯微組織(見圖10)。由圖10可知：組織為回火馬氏體，未見異常，且未見夾雜物或其他微觀缺陷，未發(fā)現(xiàn)δ鐵素體超標(biāo)。

圖10 57號葉片的疲勞源及其下方5 mm處金相組織

取12號葉片裂紋位置試樣進行金相組織分析，采用金相顯微鏡觀察裂紋擴展方向，取樣位置及區(qū)域劃分見圖11。

圖11 12號葉片的取樣位置及區(qū)域劃分

金相組織觀察面為裂紋擴展方向與葉片厚度構(gòu)成的面，即裂縫位置的葉片橫截面，觀察結(jié)果見圖12(均放大200倍)。由圖12可知：金相組織均為回火馬氏體，晶界處有部分碳化物，未發(fā)現(xiàn)δ鐵素體超標(biāo)。

圖12 12號葉片金相組織

3 斷裂原因分析

3.1 機組運行對葉片的影響

(1) 機組投運以來，實際負荷逐年降低，供暖季抽汽量逐年增加，導(dǎo)致汽輪機末級葉片通流量遞減，末級葉片工作環(huán)境逐步惡化，加重葉片水蝕。

(2) 機組投運以來，汽輪機背壓總體呈階段性遞增趨勢。投運初期，汽輪機背壓最低(為2.02 kPa)，而在后續(xù)運行中，年平均汽輪機背壓都在設(shè)計額定背壓(3.4 kPa)以上，初步排除真空過高對末級葉片的影響。

(3) 汽輪機運行規(guī)程要求最大抽汽工況下，排汽質(zhì)量流量為44 384 kg/h，從歷年1月份的機組凝結(jié)水流量看，排汽質(zhì)量流量均在規(guī)定值以上。調(diào)閱歷年檢修資料，發(fā)現(xiàn)機組投運的第2年凝結(jié)水質(zhì)量流量在歷史最高凝結(jié)水質(zhì)量流量(80 t/h)以上時，末級葉片上部進汽側(cè)已經(jīng)發(fā)生水蝕問題。后兩次揭缸發(fā)現(xiàn)水蝕加劇，同時發(fā)現(xiàn)末級葉片出汽側(cè)出現(xiàn)水蝕，證明末級葉片通流量低于最小通流量，汽輪機末級葉片存在小流量運行工況。

綜上所述，機組負荷的逐年降低和供熱量的逐年增加，以及汽輪機末級葉片通流量逐年減少，造成末級葉片小流量運行，該工況下易造成末級葉片背部回流，加劇葉片的水蝕程度。此外，小流量運行也容易產(chǎn)生顫振使葉片動應(yīng)力增大，進而造成葉片損傷等問題。

3.2 葉片材質(zhì)分析

(1) 汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級的57號葉片斷裂、12號葉片存在裂紋，2根葉片缺陷位置具有一致性，均為葉片進汽側(cè)距葉頂280 mm的司太立合金與葉片母材交界處。該處存在結(jié)構(gòu)上不連續(xù)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在長期運行中，由于水蝕及應(yīng)力集中的共同作用，葉片產(chǎn)生疲勞裂紋。在對機組低壓轉(zhuǎn)子末級葉片進行磁粉檢測時，發(fā)現(xiàn)共有33根葉片在該位置存在裂紋或開口缺陷。

(2) 對葉片進行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)葉片Cr、S的含量高于GB/T 8732—2004要求，其他元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。Cr含量較高容易產(chǎn)生鐵素體，引起C和Cr偏析，使馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，可導(dǎo)致材料強度降低、韌塑性增加；S含量偏高會產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，劣化鋼材質(zhì)量，同時對焊接性能產(chǎn)生不利影響。開展金相組織分析時，未發(fā)現(xiàn)δ鐵素體超標(biāo)。因此，Cr、S含量超標(biāo)不是葉片產(chǎn)生裂紋的主要原因。

(3) 對2根葉片進行拉伸試驗，除12號葉片屈服強度偏低外，其他試驗數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。12號葉片的屈服強度低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限，但平均值達到880 MPa，且抗拉強度合格。因此，屈服強度偏低也不是葉片開裂的主要原因。

(4) 在金相組織分析中發(fā)現(xiàn)2根葉片疲勞源位置及葉片母材的其他位置組織均為回火馬氏體，且組織未見異常。對57號葉片的斷口進行形貌分析，發(fā)現(xiàn)斷口處存在明顯的疲勞貝紋線，具有典型的疲勞斷裂特征。

綜上所述，低壓轉(zhuǎn)子末級葉片斷裂的原因主要是司太立合金與母材交界處結(jié)構(gòu)上不連續(xù)，形成應(yīng)力集中。在長期運行中，由于交變應(yīng)力、應(yīng)力集中及水蝕的共同作用，葉片產(chǎn)生疲勞裂紋，且疲勞裂紋逐漸擴展。當(dāng)裂紋擴展到剩余面積不足以承擔(dān)最大疲勞載荷時，葉片發(fā)生斷裂。

4 結(jié)語

(1)汽輪機末級葉片小流量運行，造成葉片背部回流，加劇末級葉片的水蝕。小流量運行也容易使葉片產(chǎn)生顫振，進而導(dǎo)致葉片動應(yīng)力增大，最終造成葉片損壞等問題。

(2)低壓轉(zhuǎn)子末級葉片的斷裂主要是因為司太立合金與母材交界處結(jié)構(gòu)上不連續(xù)，形成應(yīng)力集中。在長期運行中，葉片應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋，水蝕加速了裂紋發(fā)展，最終導(dǎo)致葉片斷裂。

(3)更換新葉片時，應(yīng)通過技術(shù)改造消除葉片局部應(yīng)力集中，加強對新葉片的性能檢測，可延長葉片的使用壽命[3]。