鄧 輝,吳文生,吳旭良,袁紅玉,謝照增

(1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，中南電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450000；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司技能培訓(xùn)中心， 鄭州 450000；3.大唐三門峽電力有限責(zé)任公司，三門峽 472001)

0 引 言

低壓轉(zhuǎn)子葉片是電站汽輪發(fā)電機(jī)組的重要受監(jiān)控金屬部件，由葉身、葉根、葉頂和連接部分組成，其工作原理是將蒸汽動(dòng)能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，并通過(guò)轉(zhuǎn)子大軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外做功。低壓轉(zhuǎn)子葉片的工作環(huán)境和受力狀況復(fù)雜，常發(fā)生各種形式的失效，導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn),帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成機(jī)毀人亡的惡性事故[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)低壓轉(zhuǎn)子葉片葉身、葉根等部位的失效分析報(bào)道較多，失效原因大多是材料本身存在問(wèn)題、運(yùn)行控制不當(dāng)或水質(zhì)不合格[4-9]，鮮有對(duì)連接部件如葉根銷釘失效的相關(guān)研究?；羧绾愕萚10]分析了某捷制200 MW汽輪機(jī)高壓第二壓力級(jí)動(dòng)葉片銷釘?shù)臄嗔言颍贸鲣N釘材料熱處理不規(guī)范，使得抗蠕變強(qiáng)度不足導(dǎo)致銷釘斷裂的結(jié)論；但該銷釘材料等級(jí)較低且亞臨界機(jī)組工況簡(jiǎn)單，與超(超)臨界機(jī)組用銷釘材料及超(超)臨界機(jī)組工況差異較大，所以參考意義不大。作者在近些年的工作過(guò)程中，通過(guò)超聲波檢測(cè)等手段[11]，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多起低壓轉(zhuǎn)子葉片叉型葉根銷釘開裂事件，且在超(超)臨界和亞臨界機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子的末級(jí)和次末級(jí)均有發(fā)生，嚴(yán)重危及汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子葉片叉型葉根銷釘開裂原因進(jìn)行分析，提出針對(duì)性的預(yù)防措施，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行具有重要意義。

某濱海電廠660 MW超超臨界機(jī)組于2009年6月投產(chǎn)使用，已累計(jì)運(yùn)行7.8萬(wàn)h。在高中壓缸側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)各有1個(gè)低壓轉(zhuǎn)子，分別為A低壓轉(zhuǎn)子和B低壓轉(zhuǎn)子，每個(gè)轉(zhuǎn)子各7級(jí)動(dòng)葉片。第6級(jí)(末二級(jí))動(dòng)葉片材料為1Cr12Ni2W1Mo1V鋼，共133×4片。每2個(gè)葉片葉根通過(guò)外圈、中圈、內(nèi)圈3個(gè)銷釘固定在葉輪輪緣上，2個(gè)低壓轉(zhuǎn)子末二級(jí)葉片葉根銷釘共1 596根，銷釘材料為4Cr5MoSiV1鋼。高溫蒸汽進(jìn)入低壓缸內(nèi)部經(jīng)低壓轉(zhuǎn)子上的動(dòng)葉片做功，低壓缸進(jìn)汽溫度為390 ℃，壓力為1.2 MPa，蒸汽在動(dòng)葉片上逐級(jí)做功后，排氣溫度為34 ℃，壓力為-97 kPa。在2020年11月檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)A和B低壓轉(zhuǎn)子末二級(jí)葉片葉根銷釘共斷裂166根，有完全斷裂的和存在裂紋不完全斷裂(即開裂)的。由于斷裂銷釘和開裂銷釘?shù)姆植紵o(wú)規(guī)律，作者隨機(jī)取A低壓轉(zhuǎn)子高中壓缸側(cè)末二級(jí)編號(hào)107和108葉片外圈開裂銷釘以及同批次未斷裂也未開裂銷釘進(jìn)行顯微組織和力學(xué)性能對(duì)比，分析了銷釘開裂原因。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

觀察隨機(jī)選取開裂銷釘?shù)男蚊玻鋵?shí)測(cè)尺寸約為φ10.33 mm×145 mm。由圖1(a)可以看出：開裂銷釘表面存在一定程度腐蝕，且右側(cè)腐蝕最嚴(yán)重，這是由于銷釘采用大錘敲擊或者氣動(dòng)鉚錘安裝，施加的是多次往復(fù)的沖擊力，使得銷釘先入銷釘孔的一側(cè)受損，銷釘孔直徑擴(kuò)大，裝配完成后銷釘右側(cè)與銷釘孔存在一定間隙，腐蝕介質(zhì)容易進(jìn)入而導(dǎo)致銷釘發(fā)生腐蝕；裂紋位于銷釘右側(cè)腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域，如圖1(a)中方框所示。

圖1 開裂銷釘宏觀形貌及右側(cè)腐蝕區(qū)放大形貌Fig.1 Macromorphology (a) and corrosion area magnified morphology (b) on right side of cracked pin

用400#砂紙對(duì)銷釘右側(cè)腐蝕區(qū)域進(jìn)行打磨，在XPZ-830B型體視顯微鏡上觀察裂紋形貌。由圖1(b)可以看出，銷釘右側(cè)腐蝕區(qū)域表面分布著密密麻麻的腐蝕坑，同時(shí)存在2條橫向裂紋，標(biāo)記為裂紋1和裂紋2，裂紋2穿過(guò)多個(gè)腐蝕坑。

1.2 化學(xué)成分

采用SPECTRO MAXx型直讀光譜儀對(duì)開裂銷釘進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知，開裂銷釘?shù)幕瘜W(xué)成分滿足GB/T 1299-2014對(duì)4Cr5MoSiV1鋼的成分要求。

表1 開裂銷釘?shù)幕瘜W(xué)成分

圖2 開裂銷釘中非金屬夾雜物的形貌Fig.2 Morphology of non-metallic inclusion of cracked pin

1.3 非金屬夾雜物

在開裂銷釘裂紋2附近位置截取截面試樣，經(jīng)240#,400#,600#,800#,1000#砂紙打磨和W1.5金剛石研磨膏拋光后，采用Leica DMi8 C型光學(xué)顯微鏡觀察非金屬夾雜物形貌，并依據(jù)GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)。由圖2和表2可以看出,開裂銷釘中主要存在A類和D類夾雜物，不存在B類和C類夾雜物。廠家未提供夾雜物等級(jí)要求，根據(jù)GB/T 1299-2014，開裂銷釘中各類非金屬夾雜物滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 顯微組織

在開裂銷釘裂紋1附近位置和未開裂銷釘上橫向取樣，對(duì)橫截面拋光，用由三氯化鐵、鹽酸和乙醇組成的溶液腐蝕，采用Leica DMi8 C型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，并按照GB/T 6394-2017進(jìn)行晶粒度測(cè)定。由圖3可以看出：開裂銷釘橫截面存在尺寸較大的粗晶，晶粒清晰可辨，晶粒度評(píng)定為0級(jí)；顯微組織呈現(xiàn)白色、黑色和灰色3個(gè)區(qū)域，并且存在殘余奧氏體，放大后可知白色區(qū)域?yàn)椴痪鶆虬鍡l狀馬氏體組織，灰色區(qū)域?yàn)榧?xì)小的板條狀馬氏體組織，黑色區(qū)域?yàn)檩^粗大的板條狀馬氏體組織；未開裂銷釘?shù)娘@微組織為細(xì)小均勻的回火馬氏體，晶粒度評(píng)定為8級(jí)。

表2 開裂銷釘中非金屬夾雜物級(jí)別

圖3 開裂銷釘以及未開裂銷釘?shù)娘@微組織Fig.3 Microstructure (a-e) of cracked pin and uncracked pin (f): (c) cracked pin, white area enlarged;(d) cracked pin, grey area enlarged and (e) cracked pin, black area enlarged

1.5 裂紋微觀形貌

在開裂銷釘右側(cè)裂紋區(qū)域截取縱截面試樣，采用Leica DMi8 C型光學(xué)顯微鏡觀察拋光前后裂紋1不同位置的形貌，觀察位置如圖1(b)所示。由圖4(a)圖4(c)可以看出，主裂紋為沿晶和穿晶混合型裂紋，且主裂紋上存在大量呈樹枝狀分叉的沿晶型分支裂紋。由圖4(d)圖4(f)可以看出，主裂紋兩側(cè)和分支裂紋上存在大量灰、黑色腐蝕產(chǎn)物，并呈現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕開裂的特征。

圖4 開裂銷釘裂紋1拋光前不同位置及拋光后位置1處的微觀形貌Fig.4 Micromorphology at different spots before polishing (a-c) and at position 1 after polishing (d-f) of crack 1 of cracked pin:(a) position 1; (b) position 2; (c) position 3; (d) at low magnification; (e) at middle magnification and (f) at high magnification

1.6 斷口形貌及微區(qū)成分

將裂紋2打開，清洗斷口后，采用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察原始斷口形貌，并用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。由圖5可見：裂紋2的原始斷口齊平，未見明顯塑性變形和疲勞輝紋，呈多源脆性斷口特征，裂紋源區(qū)有腐蝕痕跡；斷口表面被腐蝕或氧化產(chǎn)物覆蓋，且斷口上存在微小裂紋與孔洞，經(jīng)清洗后觀察到斷口呈解理開裂特征。

圖5 開裂銷釘裂紋2原始斷口宏觀形貌與清洗前后微觀形貌Fig.5 Macromorphology (a) and micromorphology (b-c) of crack 2 original fracture of cracked pin before (a-b) and after cleaning (c)

由圖6可以看出，開裂起源于銷釘表面的腐蝕坑，腐蝕坑處存在腐蝕性元素氯和硫，同時(shí)富集了鈉、鉀、鈣等元素。

圖6 開裂銷釘裂紋2原始斷口裂紋源區(qū)的SEM形貌及EDS譜Fig.6 SEM morphology (a) and EDS patterns (b-c) of crack source of crack 2 original fracure of cracked pin:(b) position 3 and crack source of (c) position 5

對(duì)圖4(f)中開裂銷釘裂紋1的分支裂紋尖端灰、黑色腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行微觀形貌觀察及微區(qū)成分分析。由圖7可知，裂紋1分支裂紋尖端存在含氯、硫等元素的腐蝕產(chǎn)物。

圖7 開裂銷釘裂紋1分支裂紋尖端的SEM形貌及EDS譜Fig.7 SEM morphology (a) and EDS patterns (b-c) of crack 1 branch crack tips of cracked pin:(b) position 1 and (c) position 2

1.7 力學(xué)性能

廠家提供的技術(shù)要求如下：抗拉強(qiáng)度1 650～1 800 MPa，屈服強(qiáng)度1 310～1 600 MPa，洛氏硬度45～52 HRC。

根據(jù)GB/T 230.1-2018，采用Wilson R574型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)5點(diǎn)取平均值。在開裂銷釘無(wú)裂紋位置沿銷釘縱向截取直徑為5 mm的拉伸試樣，標(biāo)距為25 mm，按照GB/T 228.1-2021在UTM5305HA型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm·min-1，每組測(cè)3個(gè)試樣取平均值。根據(jù)GB/T 229-2020，采用PTM2302型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)沿試樣縱向進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，每組測(cè)3個(gè)試樣取平均值。取未開裂銷釘用相同參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。由表3可以看出，開裂銷釘?shù)挠捕?、抗拉?qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足廠家技術(shù)要求，由于GB/T 1299-2014和廠家均未提供沖擊吸收功標(biāo)準(zhǔn)范圍，故無(wú)法判斷銷釘沖擊吸收功是否符合要求。與未開裂銷釘相比，開裂銷釘?shù)挠捕?、?qiáng)度、韌性均較低，特別是沖擊吸收功降低了77%，這主要是由于開裂銷釘存在宏觀粗晶且顯微組織不均勻引起的。

表3 銷釘?shù)氖覝亓W(xué)性能

2 開裂原因分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，開裂銷釘主裂紋為沿晶和穿晶混合型裂紋，且主裂紋上存在大量呈樹枝狀分叉的沿晶分支裂紋。主裂紋兩側(cè)和分支裂紋上存在大量灰、黑色物質(zhì)，經(jīng)能譜分析為含氯、硫元素的腐蝕產(chǎn)物。主裂紋原始斷口齊平，未見明顯塑性變形和疲勞輝紋，呈多源脆性斷口特征，裂紋源區(qū)有腐蝕痕跡。原始斷口表面被腐蝕或氧化產(chǎn)物覆蓋，且斷口上存在微小裂紋與孔洞，經(jīng)清洗后觀察到斷口呈解理開裂特征。腐蝕坑處存在腐蝕性元素氯和硫，同時(shí)富集了鈉、鉀、鈣等元素。

通過(guò)以上結(jié)果得出銷釘失效模式為應(yīng)力腐蝕開裂；應(yīng)力腐蝕開裂的基本條件包括特定的金屬材料、弱的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力[12-13]。

開裂銷釘組織不均勻，由3種形態(tài)晶粒和殘余奧氏體組成，且存在大的粗晶，晶粒度評(píng)定為0級(jí)，已遠(yuǎn)大于廠家標(biāo)準(zhǔn)要求的4級(jí)，所以其應(yīng)力腐蝕敏感性較大[19]。對(duì)其他銷釘顯微組織檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)斷裂銷釘多數(shù)為不均勻粗晶組織，而未斷裂銷釘為細(xì)小均勻的回火馬氏體組織。銷釘用4Cr5MoSiV1鋼的生產(chǎn)工藝為加熱→鍛造→退火→調(diào)質(zhì)處理，鍛造加熱的溫度一般較高，達(dá)1 250 ℃以上，雖然高溫能有效地消除鋼錠偏析，促進(jìn)合金元素均勻化擴(kuò)散，但是易導(dǎo)致晶粒粗化，因此后續(xù)需要通過(guò)900 ℃×2 h的再結(jié)晶退火工藝處理來(lái)消除粗晶，獲得細(xì)晶組織，從而提高沖擊韌性[14]。退火工藝不當(dāng)如溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，在后續(xù)淬火加熱奧氏體化過(guò)程中，粗晶難以消除，同時(shí)得到不均勻的馬氏體組織，導(dǎo)致沖擊韌性顯著降低[15-17]。經(jīng)調(diào)查得知開裂銷釘實(shí)際退火工藝為900 ℃×4 h，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。此外，材料的組織狀態(tài)對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性影響很大，組織越不均勻，越容易產(chǎn)生活性的陰極通道，越易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；晶粒尺寸越大，硬度及強(qiáng)度越高，應(yīng)力開裂敏感性也會(huì)增加[18]。這就為應(yīng)力腐蝕提供了材料內(nèi)部的條件。

另?yè)?jù)調(diào)查可知，該機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子汽水品質(zhì)定期檢驗(yàn)合格。但研究表明在50～120 ℃蒸汽過(guò)渡區(qū)間，即使汽水品質(zhì)合格，偶然的汽水品質(zhì)波動(dòng)也可能在葉輪軸向鍵槽處、銷釘孔內(nèi)等部位聚集腐蝕介質(zhì)和鹽類。低壓轉(zhuǎn)子葉片工作條件復(fù)雜，每一級(jí)葉片工作溫度不同，第一級(jí)葉片接觸的蒸汽溫度最高，蒸汽逐級(jí)做功后溫度逐漸減低，末二級(jí)葉片處于濕蒸汽區(qū)域，已到達(dá)蒸汽過(guò)渡區(qū)間，而機(jī)組啟停及調(diào)峰工況的變化會(huì)使汽水品質(zhì)產(chǎn)生一定波動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研證實(shí)，該機(jī)組調(diào)峰頻繁。此外，該電廠處在濱海地區(qū)，雨水較多，空氣中帶有較多的氯離子，潮濕的空氣會(huì)附著在葉輪上，進(jìn)而霧化成小水滴進(jìn)入銷釘孔，也會(huì)帶進(jìn)一定量的腐蝕介質(zhì)，這就為應(yīng)力腐蝕提供了外部的條件。

叉形葉根是通過(guò)將葉根徑向插入到葉輪輪緣的叉槽中，并用銷釘固定的，葉片承受很大的離心力，且該離心力主要依靠3根銷釘承擔(dān)，所以銷釘承受的彎曲應(yīng)力相當(dāng)大[20]。由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子朝著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，銷釘一直承受一個(gè)方向的彎曲應(yīng)力，這就使銷釘一面始終貼合在輪緣或者葉根上，另一面與輪緣或者葉根存在一定間隙。彎曲應(yīng)力在間隙面表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在貼緊面表現(xiàn)為壓應(yīng)力，這是應(yīng)力腐蝕開裂的拉應(yīng)力來(lái)源。

3 結(jié)論及建議

(1) 低壓轉(zhuǎn)子葉片叉型葉根鋼銷釘發(fā)生的是應(yīng)力腐蝕開裂。由于退火工藝控制不當(dāng)，銷釘中形成了不均勻顯微組織，導(dǎo)致材料本身的應(yīng)力腐蝕敏感性增大；復(fù)雜的工況使銷釘孔內(nèi)進(jìn)入了一定量的腐蝕介質(zhì)；銷釘主要受葉片離心力引起的彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力在間隙面表現(xiàn)為拉應(yīng)力。在彎曲應(yīng)力的作用下，銷釘在腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

(2) 為防止銷釘開裂建議加強(qiáng)銷釘制造、安裝、運(yùn)行期間的無(wú)損和理化檢測(cè)；機(jī)組啟停、運(yùn)行、變負(fù)荷時(shí)防止汽水品質(zhì)波動(dòng)，避免腐蝕介質(zhì)和鹽類在銷釘孔等部位聚集；轉(zhuǎn)子在儲(chǔ)存、停機(jī)檢修和備用期間要保持環(huán)境干燥，防止轉(zhuǎn)子上附著潮氣。