1Mn18Cr18N鋼護環裂紋性質和材質狀態分析

張紅軍，朱立春，于在松，唐麗英

（西安熱工研究院有限公司, 西安 710032）

1 引言

護環是汽輪發電機組的主要部件之一，它對轉子端部繞組起著固定、保護、防止變形、位移和偏心作用。護環承受轉子繞組端部及自身的巨大離心力、彎曲應力及熱套應力等，此外護環鋼采用形變強化，具有一定的殘余應力，它是汽輪發電機組承受應力最高的部件。為了保證機組的安全運轉，護環要有足夠高的強度、高的塑性指標、均勻的力學性能和最小的殘余應力。對于 300MW 以上機組護環的屈服強度要求在1000MPa以上。護環是在強磁場和腐蝕介質中工作，工作溫度在100℃以下，為減少端部線圈電流損失和防止工作溫度過高，護環一般采用奧氏體鋼制造。

由于護環特殊的工況和使用條件，需要其具有較高的抗應力腐蝕能力。80年代前，護環基本用50Mn18Cr4系列鋼制造，經過幾十年的運行實踐，發現50Mn18Cr4系列鋼的抗應力腐蝕能力較差，出現過多起應力腐蝕開裂事故。為此，國內外相繼開發了1Mn18Cr18N系列鋼，塑性和抗應力腐蝕能力有較大提高[1～4]。目前國內的300MW以上發電機護環基本上均采用1Mn18Cr18N系列鋼，有關標準對其性能作了明確要求[5]。

一些公開發表的文獻對50Mn18Cr4系列鋼護環的應力腐蝕開裂現象的報道較多[6，7]，對1Mn18Cr18N鋼應力腐蝕性能的試驗研究也不少，但未見實際使用1Mn18Cr18N鋼護環的應力腐蝕開裂報道。本文對某電廠300MW燃煤發電機1Mn18Cr18N鋼護環的裂紋性質和材質狀態進行了分析。

2 護環開裂情況

某電廠300MW燃煤發電機組累計運行5萬余小時，共啟停123次。在發電機護環檢驗中，發現勵側護環本體側外表面存在多處裂紋，裂紋走向基本與護環軸向平行，裂紋的滲透探傷典型照片見圖1。此護環為懸掛式結構，發電機轉子端部繞組冷卻方式為氫冷，護環材質為1Mn18Cr18N。

3 試驗方法及結果

3.1 宏觀檢查

對護環存在裂紋的部位取樣進行超聲波清洗，清洗后肉眼可清晰地觀察到護環環鍵鍵槽處的裂紋形貌和銹蝕斑點，裂紋處基本無塑性變形，表現為脆性開裂，見圖2。護環內壁環鍵鍵槽處的裂紋數量明顯高于護環外表面的裂紋數量。其中裂紋B在端面處裂透。

圖1 護環裂紋照片

圖2 裂紋形貌

3.2 金相組織

裂紋B橫向方向的光學金相組織（OM）見圖3，腐蝕前，主裂紋附近有大量的二次裂紋，主裂紋寬而長，二次裂紋窄而細，裂紋擴展方向為由內向外；腐蝕后，裂紋形態同腐蝕前，主裂紋和二次裂紋均為穿晶裂紋，裂紋附近母材的組織為奧氏體，從該方向看奧氏體晶粒基本呈等軸狀，奧氏體晶粒內存在鍛造加工時保留下來的大量的滑移線。

圖3 裂紋B的橫向形貌

3.3 掃描電子顯微鏡和X射線能譜試驗

3.3.1 裂紋B的低溫斷口

對裂紋B制取低溫斷口試樣，即將含有裂紋B的試塊置于液氮中浸泡，而后將其在低溫下沿其裂紋面折斷。折斷后的低溫斷口宏觀形貌見圖4，其中白亮處為低溫打斷斷口，可見裂紋B并沒有將其兩側的母材完全分離，存在部分粘連；其余部分為裂紋原始斷口，斷口表面顏色灰暗。

對低溫斷口在掃描電子顯微鏡（SEM）上觀察，裂紋原始斷口無論是在裂紋源區（環鍵鍵槽表面），還是在裂紋擴展區以及裂紋尖端，斷口表面呈泥紋花樣，表現為穿晶斷裂，平坦面上分布有龜裂裂紋，平坦面并不是斷口金屬的真實面貌，而是斷面上覆蓋了一層腐蝕產物，見圖5（a）、（b）、（c），斷口表面存在較多數量的二次裂紋，見圖5（d）。X射線能譜（EDS）分析結果發現斷口源區、擴展區和裂紋尖端均有含量不等的Cl、Ca、K、Na、O和S等元素存在，能譜分析區域中氯元素含量最高為7.65%，見圖6。環鍵鍵槽表面的腐蝕產物的EDS分析結果顯示腐蝕產物中也含有Cl、Ca、O和Al等元素。

圖4 低溫斷口宏觀照片

圖5 裂紋B的低溫斷口SEM照片

圖6 裂紋面的EDS分析結果

3.3.2 裂紋B金相樣的SEM觀察

裂紋B金相樣的SEM觀察結果見圖7，裂紋由主裂紋和分支裂紋（二次裂紋）組成，主裂紋寬而長，二次裂紋窄而短，主裂紋附近有大量的二次裂紋。

3.4 材質狀態

3.4.1 化學成分

護環的化學成分分析結果見表1，各合金元素的含量均滿足標準JB/T 7030-2002《300MW～600MW汽輪發電機無磁性護環鍛件技術條件》的要求，雜質元素S、P含量較低，Al、B元素未檢出。

圖7 裂紋B的SEM照片

表1 護環化學成分分析結果 wt%

3.4.2 力學性能

圖8和圖9分別給出護環的100℃橫向拉伸性能和沖擊性能，取樣位置為整周90°均布，即按照時鐘的0點、3點、6點和9點取樣，拉伸性能和沖擊性能均勻，力學性能良好，綜合力學性能試驗結果，該護環的力學性能滿足JB/T 7030-2002規定的III級鍛件的要求。

圖8 拉伸性能

圖9 沖擊性能

4 分析與討論

4.1 材質分析

護環的化學成分和力學性能良好，且力學性能均勻，與一些文獻上的數據相當[3,4]，符合III級鍛件要求。護環在5萬多小時的運行過程中，亦未發現超溫現象。由此，基本可排除由護環材質不良引起的開裂。

4.2 裂紋數量

護環內壁環鍵鍵槽表面的裂紋數量明顯高于外表面，有些裂紋已裂透于端面處，如圖2中的裂紋B。從裂紋數量上可初步推斷，護環的裂紋源區為內壁環鍵鍵槽表面。

4.3 裂紋形貌

裂紋的形貌見圖3和圖7，裂紋在擴展過程中出現明顯的分支，即存在分叉和分支裂紋。裂紋在擴展中常常會出現分支，稱為支裂紋（或次生裂紋），主裂紋較支裂紋寬而長，裂紋源區一定在主裂紋中，且裂紋源的方向通常與支裂紋的擴展方向相反。同時，裂紋主要為穿晶裂紋。

根據裂紋的擴展方向，從裂紋的形貌上亦可推斷，護環的裂紋源區為護環環鍵鍵槽內表面。

4.4 腐蝕產物

護環內壁環鍵鍵槽表面處和裂紋B的低溫斷口上均存在大量的腐蝕產物，腐蝕產物中包括Cl、Ca、K、Na、O和S等非鋼中本身含有的有益合金元素。裂紋B的低溫斷口表面顏色灰暗，在SEM下斷口呈泥紋狀花樣。由于奧氏體鋼對氯離子非常敏感，僅幾個 ppm的氯離子就會導致應力腐蝕。氯離子出現在裂紋面上表明護環在運行過程中受到了氯離子的腐蝕。

4.5 護環結構

護環是汽輪發電機組的主要部件之一，它的作用是保護發電機轉子兩端的線圈在離心力的作用下不向外飛出。它被熱套裝在轉子上，因此，護環除受線圈和自身的離心力作用外，還受熱裝應力的作用，它是汽輪機組承受應力最高的部件。除此之外，護環鋼1Mn18Cr18N經過變形強化處理，存在一定的殘余應力。

本試驗護環為懸掛式結構，環鍵鍵槽處的壁厚最薄，不考慮應力集中的影響，其承受的載荷大，同時由腐蝕產物可判斷其在氯離子腐蝕環境下工作，故易萌生裂紋。

由護環材質分析結果、裂紋數量、裂紋形貌、護環內壁和裂紋斷面上的腐蝕產物、低溫斷口形貌以及護環的受力狀況可推斷護環開裂系應力腐蝕引起，裂紋為應力腐蝕裂紋，裂紋源位于環鍵鍵槽內表處，由環鍵鍵槽內表面向金屬內部擴展。

5 結論

（1）護環開裂系由氯離子引起的應力腐蝕開裂，裂紋源位于護環環鍵鍵槽的內表面處，裂紋宏觀上表現為脆性開裂，微觀上穿晶擴展，主裂紋附近含有大量的支裂紋，裂紋面呈泥紋狀花樣；

（2）運行5萬多小時的1Mn18Cr18N鋼護環的材質狀態良好。

[1]周維智，孫曉潔，徐國濤. Mn18Cr18鋼護環生產工藝研究概況[J]. 大型鑄鍛件，2001（1）：52-54.

[2]韓永輝. 汽輪機發電機護環的應力腐蝕[J]. MC現代零部件，2005（3）：148-150.

[3]孫茂才，王日昆，郭成海. 護環的組織與性能研究[J].大電機技術，2000（6）：30-32.

[4]張進，李靜媛，王一德等.Mn18Cr18高氮鋼熱加工工藝的研究[J]. 鍛壓技術，2009，34（1）：10-13.

[5]JB/T 7030-2002,300MW～600MW汽輪發電機無磁性護環鍛件技術條件[s].

[6]崔力，王莉君，李耀君. 汽輪發電機轉子護環開裂及其裂紋擴展的機理分析[C]//全國第四屆電站金屬構件失效分析與壽命管理學術會議論文集.西安：西安熱工研究所，1994： 713-730.

[7]王莉君. 汽輪發電機護環的應力腐蝕開裂機理研究及防護措施的探討[R]. 西安：西安熱工研究所，1992.