摘 要:某電廠汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片在使用過程中發(fā)生開裂,通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 力學(xué)性能試驗(yàn)、顯微組織觀察及斷口分析等方法,分析了動(dòng)葉片開裂的原因。結(jié)果表明:動(dòng)葉片裂 紋呈沿晶擴(kuò)展,裂紋兩側(cè)的顯微組織存在明顯的全脫碳現(xiàn)象,說明裂紋形成于熱加工階段,為典型 的原始鍛造裂紋;材料中磷含量超標(biāo),使晶界處易形成低熔點(diǎn)脆性共晶產(chǎn)物,在鍛造加工過程中材 料晶界處易形成沿晶裂紋;裂紋在工作載荷作用下逐漸擴(kuò)展,最后造成葉片開裂。

關(guān)鍵詞:汽輪機(jī);中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片;鍛造裂紋;沿晶裂紋

中圖分類號:TK263.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0033-04

動(dòng)葉片是電站汽輪機(jī)將動(dòng)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的重 要部件,其服役工況和受力狀態(tài)較為復(fù)雜。運(yùn)行過 程中,動(dòng)葉片承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、離心等靜應(yīng)力以及蒸 汽流所引起的激振應(yīng)力及熱應(yīng)力[1-2],這對汽輪機(jī)轉(zhuǎn) 子動(dòng)葉片的材料性能和加工工藝要求較為苛刻。大 量關(guān)于動(dòng)葉片失效的研究表明,大多數(shù)動(dòng)葉片主要 因腐蝕、振動(dòng)、表面加工質(zhì)量差等原因?qū)е铝鸭y萌 生,進(jìn)而引發(fā)疲勞失效[3-9]。在動(dòng)葉片制造過程中, 鍛造溫度控制不當(dāng)和非金屬夾雜物易使動(dòng)葉片產(chǎn)生 鍛造裂紋。

某電廠1號機(jī)組型號為 N330-17.75/540/540, 由某 汽 輪 電 機(jī) 有 限 責(zé) 任 公 司 制 造,累 計(jì) 運(yùn) 行 45000h。在第二次揭缸檢修時(shí),發(fā)現(xiàn)中壓轉(zhuǎn)子第8 級動(dòng)葉片中一支葉片發(fā)生開裂,裂紋位于出汽側(cè)的 葉根端面,長約為11mm。中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片共12 級,其中,第8級共有 87 支彎扭式葉片,材料為 2Cr11NiMoNbVN 鋼,葉根為中心鉚孔叉形,自鎖 式圍帶。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件缺陷會(huì)給機(jī)組帶來極大的 安全隱患,為了找出中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片開裂的原因,筆 者對開裂葉片進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

如圖1所示,動(dòng)葉片上的裂紋平直、開口細(xì)小, 沿葉片軸線方向分布。葉片外表面未見明顯機(jī)械損 傷、結(jié)垢及腐蝕損傷等缺陷,也無易引起應(yīng)力集中的 加工刀痕、缺口等缺陷。

1.2 斷口分析

將葉片開裂部位剖開進(jìn)行觀察,如圖2所示,可見斷口齊平,未見明顯塑性變形,表面銹蝕嚴(yán)重,裂 紋自葉根表面向基體方向擴(kuò)展。

采用掃描電鏡(SEM),對清洗后的動(dòng)葉片 原始斷口和沖擊試樣的斷口(簡稱沖擊斷口)進(jìn)行觀 察,如圖3所示。由圖3a)可見,原始斷口表面氧化 嚴(yán)重,但局部仍有大量完整的晶粒,呈現(xiàn)較為清晰的 沿晶斷裂形貌特征。由圖3b)可見,沖擊斷口呈現(xiàn) 典型的解理斷裂形貌特征。

1.3 化學(xué)成分分析

用SPECTROMAXx型臺式直讀光譜儀對開 裂動(dòng)葉片進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。由表1 可以看出,開裂動(dòng)葉片中磷元素含量明顯高于標(biāo)準(zhǔn) GB/T 8732 - 2014 《汽 輪 機(jī) 葉 片 用 鋼 》對 2Cr11NiMoNbVN鋼的技術(shù)要求。

1.4 顯微組織觀察

在動(dòng)葉片開裂處取樣進(jìn)行顯微組織觀察。由圖 4可見:葉片基體組織為回火馬氏體+少量δ鐵素 體,δ鐵素體含量最高的區(qū)域未超過5%(體積分 數(shù)),未見1級或更粗的晶粒,組織基本正常;動(dòng)葉片 主裂紋及分支裂紋均呈現(xiàn)枝杈狀沿晶開裂的形貌; 主裂紋及分支裂紋兩側(cè)的組織均存在明顯的全脫碳 現(xiàn) 象 ,說 明 裂 紋 形 成 溫 度 為 高 于AC3 的 鍛 造 階段[10],呈現(xiàn)典型的鍛造裂紋特征。

1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

從動(dòng)葉片開裂處截取試樣進(jìn)行硬度測試,結(jié)果 見表2,動(dòng)葉片布氏硬度的實(shí)測值符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T 8732-2014的技術(shù)要求,動(dòng)葉片的沖擊吸收功處于 標(biāo)準(zhǔn)要求的下限水平,韌性裕量不足。

2 分析與討論

中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片裂紋位于葉根端面平臺處,裂 紋平直、開口細(xì)小,沿動(dòng)葉片軸線方向分布,動(dòng)葉片 表面無腐蝕和損傷痕跡,裂紋分布特征與汽輪機(jī)動(dòng) 葉片運(yùn)行過程中形成的典型開裂缺陷特征不相符。 斷口微觀形貌顯示,斷口局部仍可以觀察到大量完 整的晶粒,呈現(xiàn)較為清晰的沿晶開裂特征。

開裂動(dòng)葉片中磷的含量高于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限 值。過量的有害元素磷會(huì)使動(dòng)葉片晶界處形成低熔 點(diǎn)的共晶產(chǎn)物,在進(jìn)行鍛造等高溫?zé)峒庸み^程中動(dòng) 葉片易沿晶界處發(fā)生開裂。

顯微組織觀察顯示,動(dòng)葉片開裂處的主裂紋及 分支裂紋均呈現(xiàn)枝杈狀沿晶開裂的形態(tài),主裂紋及 分支裂紋兩側(cè)的組織均存在明顯的全脫碳現(xiàn)象。在 鍛造、軋制等熱加工過程中,材料表面在高溫環(huán)境中 會(huì)出現(xiàn)脫碳層,其形成和厚度主要受溫度和時(shí)間的 影響。研究表明,在加熱過程中隨著加熱溫度的升 高,材 料 脫 碳 層 的 深 度 不 斷 增 加。當(dāng) 溫 度 低 于 1000℃時(shí),材料表面氧化鐵皮阻礙碳的擴(kuò)散,脫碳 速率比氧化的慢,隨著溫度的升高,氧化鐵皮形成速率增大,氧化鐵皮下碳的擴(kuò)散速率加快,此時(shí)氧化鐵 皮失去保護(hù)能力,達(dá)到某一溫度后脫碳反而比氧化 快[11]。而汽輪機(jī)運(yùn)行最高報(bào)警溫度為555℃,說明 該動(dòng)葉片裂紋不是在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中萌生的,而 是在熱加工過程中由于鍛造工藝不當(dāng)而形成的。初 始鍛造溫度過高或保溫時(shí)間過長產(chǎn)生過熱會(huì)弱化晶 界,同時(shí)該動(dòng)葉片中有害元素磷的含量超標(biāo),易在材 料晶界處偏析形成低熔點(diǎn)共晶物,使得晶界更為薄 弱,鍛造過程中的拉應(yīng)力超過晶界變形抗力時(shí),便會(huì) 沿晶開裂[12-13]。

開裂動(dòng)葉片的沖擊吸收功處于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限 水平,韌性裕量不足,這與材料中有害元素磷含量偏 高導(dǎo)致材料脆性增大有關(guān)。

3 結(jié)論及建議

(1)1號汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片開裂的主要原 因?yàn)閯?dòng)葉片中磷含量超標(biāo),形成的低熔點(diǎn)磷化物在 晶界聚集。同時(shí),初始鍛造溫度過高或保溫時(shí)間較 長,使得含有低熔點(diǎn)磷化物的晶界無法承受鍛造加 工的拉應(yīng)力分量而在加工時(shí)發(fā)生沿晶開裂。

(2)針對動(dòng)葉片存在的原始缺陷,應(yīng)排查其他 同類型葉片是否存在開裂現(xiàn)象。對于重要金屬監(jiān)督 部件應(yīng)加強(qiáng)制造質(zhì)量監(jiān)督及安裝前檢驗(yàn),對于動(dòng)葉 片材料雜質(zhì)元素磷含量偏高、韌性裕量不足問題,應(yīng) 結(jié)合機(jī)組檢修計(jì)劃做好檢驗(yàn)工作。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>57卷>11期(pp:33-36)>