某超臨界空冷機(jī)組中壓末級(jí)葉片失效分析

劉長(zhǎng)春， 張小武， 王梅英

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

某超臨界空冷機(jī)組中壓末級(jí)葉片失效分析

劉長(zhǎng)春， 張小武， 王梅英

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

對(duì)某超臨界空冷機(jī)組中壓末級(jí)葉片斷裂故障現(xiàn)場(chǎng)和運(yùn)行記錄進(jìn)行調(diào)查分析，對(duì)斷裂葉片的材料和斷口進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析，采用三維有限元方法對(duì)葉片的靜應(yīng)力進(jìn)行了精確的計(jì)算，并綜合分析了葉片斷裂的故障原因。

葉片；斷裂；分析

0 引言

CLNZK660-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)于2011年6月正式投入運(yùn)行，2011年8月3日現(xiàn)場(chǎng)檢查中發(fā)現(xiàn)中壓葉片正向第6級(jí)有1片葉片斷裂，斷面距根部約30 mm，中壓2#隔板套的第6級(jí)導(dǎo)葉片整圈中有2個(gè)位置出現(xiàn)損壞情況。

圖1 斷裂葉片照片

圖2 葉片宏觀斷口照片

1 分析

1.1 主要技術(shù)規(guī)范

該級(jí)葉片是將超臨界600MW中壓末級(jí)葉片放大1.1倍并轉(zhuǎn)大安裝角度得到的，葉高在超臨界的基礎(chǔ)上增加 11.2 mm。葉片根頂寬度為84.4/66.8 mm，葉片數(shù)為66只，平均直徑1 395.2 mm，輪緣寬度118.5 mm，葉根為三齒樅樹(shù)型，葉片工作溫度為 381.9℃，葉片材料為2Cr12NiMo1W1V。

1.2 斷口概況和分析

圖3 葉片源區(qū)附近放大照片

斷裂葉片照片如圖1，葉片宏觀斷口如圖2所示，斷面嚴(yán)重氧化，呈暗黑色，進(jìn)汽邊一側(cè)有大約6 mm×1.5 mm的小平面，較為粗糙，有氧化腐蝕痕跡，裂紋擴(kuò)展區(qū)—前區(qū)可見(jiàn)起始于小凹面的放射狀花樣，擴(kuò)展區(qū)較為平坦，占整個(gè)斷面的2/3，從斷面顏色來(lái)看，裂紋擴(kuò)展區(qū)的氧化程度略輕于進(jìn)汽邊邊緣的小凹面。瞬斷區(qū)較為粗糙，和擴(kuò)展區(qū)斷面呈斜75°，有磕碰的痕跡。

用掃描電鏡對(duì)葉片斷面進(jìn)行觀察，裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的微觀形貌如圖4～圖6所示，整個(gè)斷面氧化嚴(yán)重，完全被氧化產(chǎn)物覆蓋。裂紋源區(qū)的邊緣未見(jiàn)深的加工刀痕，通過(guò)能譜分析裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)，發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)的氧化產(chǎn)物中有Cl、Na和S等腐蝕性元素。但在裂紋擴(kuò)展區(qū)的氧化產(chǎn)物中沒(méi)有 Cl、Na和S等腐蝕性元素。

1.3 化學(xué)成分分析

葉片鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可見(jiàn)，葉片鋼的化學(xué)成分都符合B/HJ419-2006中對(duì)2Cr12NiMo1W1V鋼的技術(shù)要求。

1.4 力學(xué)性能

葉片的常溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可見(jiàn)，葉片 鋼 的 力 學(xué) 性 能 都 符 合 B/HJ419-2006中 對(duì)2Cr12NiMo1W1V鋼的技術(shù)要求。

圖4 裂紋源區(qū)微觀斷口形貌

圖5 擴(kuò)展區(qū)微觀斷口形貌

圖6 瞬斷區(qū)微觀斷口形貌

表12 Cr12NiMo1W1V鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表22 Cr12NiMo1W1V鋼力學(xué)性能

1.5 金相分析

分別在 3支葉片上取樣制備金相樣品，葉片的金相照片如圖7所示，金相分析結(jié)果見(jiàn)表3，表3所示3支葉片的晶粒 度 不 符 合 B/ HJ419-2006中 對(duì)2Cr12NiMo1W1V鋼的技術(shù)要求。

表3 金相分析結(jié)果

圖7 葉片金相組織照片×100

1.6 葉片的強(qiáng)度分析

1）根據(jù)文獻(xiàn)［1］中給出的動(dòng)葉片靜強(qiáng)度，我們計(jì)算出該級(jí)的靜應(yīng)力如表 4所示。

表4 葉片強(qiáng)度計(jì)算匯總

2）有限元分析見(jiàn)圖8～圖11及表5。

圖8 葉片實(shí)體

圖9 葉片網(wǎng)格

圖10 葉片部分應(yīng)力

圖11 葉根背弧側(cè)應(yīng)力

表5 葉片葉根處最大應(yīng)力及位置

2 分析與討論

從葉片斷口的宏觀形貌來(lái)看，葉片斷面上進(jìn)汽邊一側(cè)尺寸為 6 mm×1.5 mm的裂紋源區(qū)氧化色是斷面上最重的區(qū)域，能譜分析結(jié)果顯示該區(qū)域斷面腐蝕也較為嚴(yán)重。一般裂紋源區(qū)都較為平整、光潔，有自起裂點(diǎn)的放射狀花樣，但葉片斷面上的裂紋源區(qū)較為粗糙，放射狀花樣不是起始于裂紋源區(qū)外側(cè)的葉片表面，而是起始于裂紋源區(qū)內(nèi)側(cè)的邊緣，由此推斷葉片斷裂的裂紋源是運(yùn)行前就存在的原始裂紋。葉片材質(zhì)的晶粒略粗，強(qiáng)度指標(biāo)偏高，增加了葉片的缺口敏感性，葉片斷裂位置是動(dòng)應(yīng)力較大的區(qū)域，葉片在工作應(yīng)力的循環(huán)作用下原始裂紋逐漸擴(kuò)展，達(dá)到臨界裂紋尺寸后突然斷裂。葉片斷裂的性質(zhì)為疲勞斷裂。

3 結(jié)論

在上述工作的基礎(chǔ)上，對(duì)該機(jī)機(jī)組中壓末級(jí)葉片斷裂原因結(jié)論如下：

1）從強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果來(lái)看，符合安全準(zhǔn)則，且有很大的安全裕度。

2）從葉片的材質(zhì)分析來(lái)看，葉片的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，在裂紋源區(qū)也未發(fā)現(xiàn)夾雜物存在，因此葉片的斷裂與材質(zhì)無(wú)關(guān)。

3）葉片斷裂的性質(zhì)是疲勞斷裂；葉片進(jìn)汽邊存在的原始裂紋是葉片斷裂的主要原因；葉片晶粒粗大對(duì)葉片斷裂有促進(jìn)作用。

（編輯立 明）

TK 263.3

A

1002－2333（2014）05－0197－02

劉長(zhǎng)春（1976—），工程師，碩士，從事汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)工作。

2014-03-18