張 煒，倪進飛，尤 晉，龔光平，盧忠銘

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

0 前 言

葉片作為汽輪機實現(xiàn)動能向電能轉(zhuǎn)化的重要部件，長期處于高溫、高壓介質(zhì)環(huán)境中，需承受高速旋轉(zhuǎn)時的離心靜應(yīng)力，蒸汽流的彎曲應(yīng)力和激振力，以及蒸汽中攜帶的活性氯、硫離子對葉片的腐蝕作用[1-3]。葉片在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)綜合作用下，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕[4，5]、疲勞腐蝕[6，7]，進而產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，給機組的安全經(jīng)濟性造成很大威脅。因此，對汽輪機葉片復(fù)雜環(huán)境下的失效進行分析，并給出失效事故發(fā)生的原因以及相應(yīng)的解決措施，對于電站設(shè)備的安全運行具有重要現(xiàn)實意義。

某火力發(fā)電廠2號機組為300 MW亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排氣、凝汽式汽輪機，型號為(N300-16.7/537/537)。高壓缸進氣參數(shù)為16.7 MPa/537 ℃，低壓缸進氣參數(shù)為1.5 MPa/537 ℃，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。機組自投產(chǎn)至發(fā)現(xiàn)葉片開裂已累計運行60 000 h，期間運行參數(shù)正常。在例行檢修中，發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子多個末級動葉片存在開裂現(xiàn)象，開裂葉片材質(zhì)：1Cr12Ni3Mo2VN，接觸介質(zhì)：水蒸氣，進汽壓力0.507 MPa，進汽溫度約282 ℃。 水處理采用原水預(yù)處理—反滲透(reverse osmosis，RO)脫鹽—混床精處理，主蒸汽質(zhì)量控制標準為：Na+≤3 μg/kg；SiO2≤10 μg/kg；Fe2+≤10 μg/kg；Cu2+≤3 μg/kg；鍋爐主給水質(zhì)量控制標準為：Cl-≤2 μg/kg；采用還原性全揮發(fā)處理[all-volatile treatment(reduction)，AVT(R)]下的溶解氧：≤7 AVT(R)；Cu2+≤3 μg/kg；Fe2+≤10 μg/kg。為查明葉片開裂原因，避免類似事件再次發(fā)生，本工作通過多種理化方法對開裂葉片進行試驗分析。

1 試驗分析

1.1 宏觀檢查

開裂葉片取自低壓反向末級35號葉片。由其宏觀形貌(圖1)可見，裂紋位于葉片出汽側(cè)，距離葉頂120 mm，開裂長度約10 mm，裂口較直且沿著葉片橫向由出汽側(cè)向內(nèi)擴展，即裂紋擴展方向與葉片主軸和葉片高速運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的離心拉應(yīng)力方向垂直，未見明顯塑性變形。葉片出汽側(cè)背弧面上頂端30 mm范圍內(nèi)存在明顯沖蝕現(xiàn)象，沖蝕區(qū)呈鋸齒狀毛刺，坑洼不平，向葉片橫向擴展形成直徑2 mm，深度1～2 mm的密集型沖蝕坑。葉片其他部位較光滑，未見明顯的沖刷、腐蝕、機械損傷、扭曲變形等異常跡象。

為進一步分析葉片開裂原因，按圖1c所示對開裂葉片取樣進行實驗分析，對開裂斷口附近位置①和遠離開裂位置⑥分別制取試樣進行化學(xué)成分分析；將開裂部位②人工斷裂后對橫斷面以及毗鄰附近區(qū)域進行表面形貌和能譜化學(xué)成分分析；對開裂斷口鄰近區(qū)域③進行金相檢驗，在開裂斷口附近位置④和遠離開裂位置⑤取樣進行力學(xué)性能測試。

1.2 化學(xué)成分與力學(xué)性能分析

采用SPECTRO XEPOS X射線熒光光譜儀(XRF)，根據(jù)GB/T 223-2008“鋼鐵及合金化學(xué)成分分析方法”對葉片進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，葉片化學(xué)成分符合GB/T 8732-2004的標準要求，雜質(zhì)元素控制較好，硫、磷含量較低。

表1 1Cr12Ni3Mo2VN化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %Table 1 Results of chemical compositions (mass fraction) %

1.3 力學(xué)性能分析

采用HB-3000C型布氏硬度計按照GB/T 231-2018“金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分 室溫試驗方法”進行硬度檢測；采用RTP450型試驗機按照GB/T 229-2007“金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法”進行沖擊試驗；采用SANS CMT5205型電子拉伸試驗機按照GB/T 228.1-2010“金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法”進行拉伸試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果Table 2 Results of mechanical property test

從表2可以看出，葉片的拉伸性能、沖擊性能、硬度、沖擊吸收功均符合GB/T 8732-2014“汽輪機葉片用鋼”對1Cr12Ni3Mo2VN的技術(shù)要求。

1.4 金相組織分析

為了解金相組織及裂紋向縱深擴展情況，在葉片開裂部位③處取樣進行金相顯微組織分析，結(jié)果見圖2。由圖2a可見，葉片基體顯微組織均為馬氏體位向的回火索氏體，組織比較均勻，未發(fā)現(xiàn)鐵素體、黑色晶界、粗晶等異常組織；葉片邊緣處存在大量腐蝕坑，裂紋由腐蝕坑底部形成，并沿垂直于拉應(yīng)力方向沿晶界擴展，如圖2b，主裂紋中前寬、尖端分支分叉明顯，存在沿晶的次生裂紋，如圖2c；次生裂紋附近顯微組織亦為保持馬氏體位向的回火索氏體，且晶界存在明顯的碳化物聚集，如圖2d～2e。

1.5 斷口宏觀形貌

將開裂部位②打開進行斷口宏觀形貌檢查,如圖3a?？梢姅嗫诒砻孑^平齊，斷口面被一層灰黑色腐蝕產(chǎn)物膜層覆蓋，裂紋起源于進氣邊背弧面處的沖蝕坑，由邊緣向內(nèi)部擴展，斷口根部呈弧形狀。整個斷口裂紋源起裂區(qū)面積較小，大部分為裂紋擴展區(qū)，占整個斷口面積的3/4。在超聲波儀器中將斷口浸入丙酮進行清洗，進行低倍觀察，如圖3b，裂紋擴展區(qū)可見明顯的貝紋線，瞬斷區(qū)斷口粗糙，具有典型的疲勞斷裂特征，又產(chǎn)生了腐蝕現(xiàn)象。斷口區(qū)未見明顯的塑性變形和機械損傷等缺陷。

1.6 斷口微區(qū)分析

由于斷口以腐蝕疲勞為特征，葉片先從沖蝕坑處產(chǎn)生疲勞裂紋，因此，對裂紋源區(qū)進行分析，如圖4～圖6所示。

由圖4可見裂紋源區(qū)存在明顯沖蝕坑，局部可見核桃紋及泥紋腐蝕花樣。如圖5，高倍鏡下可以看出裂紋源區(qū)域呈冰糖塊狀形貌，有沿晶界處的二次裂紋，具有典型的沿晶開裂特征。對裂紋源表面進行能譜分析，開裂斷口表面除基體金屬元素外，還有O、Cl、S、Ca等雜質(zhì)元素,如圖6和表3所示。通常Cl、S等元素容易在晶界處形成金屬氯化物、硫化物等腐蝕性物質(zhì)造成晶界結(jié)合面強度下降，同時在應(yīng)力作用下，裂紋在晶界萌生并擴展，形成裂紋源[8]。

表3 裂紋源區(qū)元素含量(質(zhì)量分數(shù)) %Table 3 Element content in the crack source area(mass fraction) %

高倍鏡下對裂紋源區(qū)腐蝕膜層進行觀察，如圖7a所示，可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕膜層較厚，掩蓋了部分斷口形貌，對腐蝕孔附著腐蝕產(chǎn)物膜層進行能譜分析，如圖7b。由圖7b可知其中存在大量Ca、Na，Cl，S，O等雜質(zhì)元素，腐蝕膜層成分復(fù)雜，以氯、硫的金屬氧化物和結(jié)晶鹽類成分為主(見表4)。

表4 裂紋源區(qū)腐蝕膜層元素含量(質(zhì)量分數(shù)) %Table 4 Element content of corrosive membrane in crack source area (mass fraction) %

圖8為裂紋擴展區(qū)形貌。低倍鏡觀察可見明顯的貝紋線，如圖8a，為疲勞擴展的宏觀特征。放大后在疲勞條紋附近可見脆性疲勞輝紋特征，如圖8b。在疲勞擴展后期(如圖8c),疲勞貝紋線更粗大明顯，裂紋加速擴展，直到產(chǎn)生瞬時斷裂。通常，疲勞輝紋的產(chǎn)生是葉片工作過程中過載、停機、加載啟動等形成的痕跡[9]。能譜分析觀察到Cl，S，O等雜質(zhì)元素，如圖9和表5。

表5 裂紋擴展區(qū)元素含量(質(zhì)量分數(shù)) %Table 5 Element content in crack propagation region (mass fraction) %

對裂紋擴展區(qū)局部放大，可見表面附著不完整的腐蝕膜層，腐蝕膜層呈斷續(xù)狀，可見部分破裂帶，如圖10。腐蝕膜層在拉應(yīng)力和振動交變應(yīng)力的共同作用下，處于一個不斷的保持形成和破裂的動態(tài)過程[10]。通過能譜分析，其中含有Ca，Na，Si、S，O，Cl等雜質(zhì)元素，腐蝕膜層以結(jié)晶的鹽類為主，見表6。

表6 裂紋擴展區(qū)局部腐蝕產(chǎn)物膜層元素含量(質(zhì)量分數(shù)) %Table 6 Elements content of local corrosion products in crack growth zone (mass fraction) %

圖11為人工瞬斷區(qū)，斷口區(qū)呈暗灰色、纖維狀，表面存在較粗糙的顆粒狀，微區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生顯微孔洞，出現(xiàn)韌窩斷裂特征。能譜分析可觀察到部分O、Cl元素，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕膜層,如圖12和表7。

2 分析與討論

汽輪機在正常工作中，低壓轉(zhuǎn)子末級葉片由于葉型較長，在高速旋轉(zhuǎn)過程中承受著旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力造成的拉應(yīng)力，且葉片越長、拉應(yīng)力也就越大，因此，末級葉片承受了相當大的離心拉應(yīng)力。此外，由于低壓末級蒸汽氣流分布不均勻[11]，使葉片產(chǎn)生強迫振動，當強振頻率域與葉片自振頻率相同時，引發(fā)共振，振幅和交變應(yīng)力急劇增大，最終造成葉片疲勞斷裂。

汽輪機低壓缸工況復(fù)雜，其中低壓缸額定進氣壓力1.5 MPa，溫度537 ℃，處于過熱蒸汽區(qū)，隨著蒸汽做功，蒸汽壓力和溫度逐級降低，到末級葉片完成做功時，葉片出汽側(cè)壓力降低至0.5 MPa左右，出汽側(cè)溫度下降到100 ℃以下，處于濕蒸汽區(qū)，末級葉片將會存在游離態(tài)的水分子。游離態(tài)水分子過冷凝結(jié)成水滴，流體對葉片進汽側(cè)背弧面造成水沖蝕。

通常狀態(tài)下，過熱蒸汽中存在的氧會在1Cr12Ni3Mo2VN表面形成一層致密穩(wěn)定的氧化保護膜[12]。而當濕蒸汽中存在氯、硫等活性腐蝕離子時，活性離子生成可溶性鹽垢成為電解液，吸附在金屬表面破壞保護膜，使葉片產(chǎn)生腐蝕坑，發(fā)生電化學(xué)腐蝕[13]。

在這個過程中，保護膜破壞處作為陽級發(fā)生溶解，鐵原子失去電子成為Fe2+，而未破壞膜為陰極，金屬氧化物得到電子生成單質(zhì)態(tài)金屬原子，保護膜進一步破壞。由于陽極面積遠小于陰極，陽極電流密度大，很快形成腐蝕坑，溶液中氯離子不斷向腐蝕坑遷移，造成腐蝕坑金屬一直處于活化狀態(tài)，不斷腐蝕[14]。在大的拉應(yīng)力和腐蝕性氯的共同作用下，在腐蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中促進裂紋萌生形成應(yīng)力腐蝕開裂。該汽輪機末級葉片蒸汽濕度大且前后布置有抽氣口，不可避免因蒸汽壓力的突變產(chǎn)生振動，而強迫振動產(chǎn)生大的交變應(yīng)力迫使應(yīng)力腐蝕裂紋以疲勞開裂的方式進一步擴展，并最終發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。

3 結(jié)論和措施

(1)汽輪機末級葉片開裂的原因是腐蝕疲勞裂紋。裂紋源起源于距葉頂120 mm左右腐蝕坑底部，腐蝕坑的形成是蒸汽中含氯、硫、氧等腐蝕性介質(zhì)和游離態(tài)水分子沖刷的共同作用，在離心拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂，形成裂紋源。激振力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下，裂紋擴展區(qū)表現(xiàn)為帶腐蝕特征的疲勞擴展。

(2)應(yīng)加強水質(zhì)監(jiān)督，減少腐蝕性環(huán)境的產(chǎn)生，對葉片表面鹽類腐蝕沉積物進行定期清理。盡量避免機組的頻繁啟停和工況的大幅度變換而對葉片造成的應(yīng)力沖擊和共振現(xiàn)象。

(3)葉片化學(xué)成分符合1Cr12Ni3Mo2VN鋼成分范圍，金相組織為馬氏體位向的回火索氏體，組織正常，硬度和各項力學(xué)性能滿足要求?？刹扇『侠淼谋砻鎻娀夹g(shù)提高抗腐蝕和抗疲勞能力，提升其使用壽命。