某電廠600 MW機組次末級葉片開裂原因分析

裴玉冰，王天劍，范華

(東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室， 四川德陽，618000)

某電廠600 MW機組次末級葉片開裂原因分析

裴玉冰，王天劍，范華

(東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室， 四川德陽，618000)

文章通過化學分析、力學性能分析、金相組織分析、裂紋斷面分析等方法，對某電廠600 MW機組次末級葉片斷裂原因進行了探討，分析結果表明：葉片出汽邊棱邊存在大量的Cl元素，且裂紋附近存在一個硬度比正常區域高的淬硬區域。因為葉片存在局部硬化，在該位置會有較大的組織應力，在腐蝕介質的共同作用下，葉片最終以應力腐蝕的形式開裂。

汽輪機，次末級葉片，開裂

0 前言

汽輪機動葉片是汽輪機將汽流的動能轉換為有用功的極其重要的部件。低壓缸次末級動葉片的工作條件很復雜，除因高速旋轉和氣流作用承受較高的靜應力和動應力外，還因其處于濕蒸汽區內工作而承受腐蝕和沖蝕作用。所以，在如此惡劣的工作環境下，會促使低壓缸次末級葉片出現開裂甚至斷裂等失效形式。

某電廠600 MW機組在大修時發現B低壓轉子電機側正向第6級動葉片 （次末級動葉片）有1條存在貫穿性裂紋。本文對該裂紋的產生及擴展原因做了詳細的分析。

1 開裂葉片情況

某電廠600 MW機組在大修時發現B低壓轉子電機側正向第6級動葉片（1Cr12Ni2W1Mo1V）存在1條貫穿性裂紋。

次末級葉片裂紋存在的位置及裂紋宏觀形貌如圖1所示。該裂紋位于出汽邊距葉根平臺308 mm處。其裂紋長度為40 mm，出汽邊裂紋開口寬度為0.5 mm。

圖1 次末級葉片宏觀形貌

2 開裂葉片性能檢測

2.1 化學成分

在葉根處取化學成分試樣，斷裂葉片材料為1Cr12Ni2W1Mo1V，按照GB/T 223進行化學成分分析，結果見表1，化學成分分析表明，葉片材料的元素含量符合GB/T 8732-2012的規定。

2.2 力學性能

在開裂葉片的葉身上取縱向拉伸試樣，葉根部位取縱向沖擊試樣。按照GB/T 228-2010在CMT4203型微機控制電子式萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，按照GB/T 229-2007在ZBC3302-B型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，按照GB/T 231-2009在HB-3000C型布氏硬度計上進行硬度試驗。試驗結果如表2所示，除了硬度偏低以外其他性能都正常。

表1 次末級葉片化學成分試驗結果wt%

表2 低壓次末級葉片力學性能

2.3 金相組織

低壓次末級葉片葉根處取樣的金相組織如表3及圖2所示，金相組織符合標準要求。

表3 低壓次末級葉片葉根處取樣金相組織檢查結果

圖2 低壓次末級葉片葉根處取樣金相組織

3 開裂葉片斷面分析

為了觀察到裂紋開裂一面的形貌，現從距裂紋尖端1 mm的部位將裂紋切開。切口后的斷口用酒精進行超聲波清洗。

圖3為裂紋斷面試樣的宏觀形貌，由圖可知，整個裂紋斷面由裂紋源區、快速撕裂區和疲勞擴展區組成。距出汽邊棱邊3 mm處開始出現明顯的“人”字紋，為快速撕裂區域。距出汽邊棱邊約28 mm處出現明顯的疲勞貝紋線，為疲勞擴展區。

圖3 裂紋斷面宏觀形貌

3.1 開裂葉片斷面掃描電鏡分析

圖4 裂紋源區SEM形貌

圖4為裂紋源區的掃描電鏡觀察。由圖可知，源區附近表面平坦，有反復摩擦的痕跡，應為運行過程中，由于葉片振動等原因，開裂后裂紋上下兩半反復開合摩擦所致。由于裂紋表面摩擦較為嚴重，已經看不到最初的形貌，但是，在源區上表面覆蓋層剝落的部分仍然可以看到沿晶開裂的形貌。在快速撕裂的 “人”字紋區域，存在向內擴展的二次裂紋， “人”字紋區域結束后有向源區收斂的疲勞貝紋線，如圖5所示。

圖5 裂紋擴展區SEM形貌

在次末級葉片裂紋附近出汽側棱邊上發現疑似點蝕坑的凹坑，為了確定凹坑的性質，對其進行能譜分析，位置及結果如圖6和表4所示。經能譜分析發現，這些凹坑中存在Cl、Na、K、Ca等腐蝕性元素， 當電位高于臨界電位時，這些元素的存在會在金屬表面形成點蝕坑。

圖6 1-1#斷口黑色覆蓋物能譜分析位置及結果

表4 斷口棱邊上的疑似點蝕坑的能譜分析結果wt%

3.2 次末級葉片硬度檢查

對斷面進行HV硬度（10 kg）檢查，檢查結果如圖7所示。由圖可知，距進汽邊約26 mm的范圍內，硬度值比要求值顯著偏高，該區域的HV硬度值普遍大于400，而該葉片材料正常的布氏硬度值在293～331范圍內，所以裂紋附近靠近出汽邊的范圍內的硬度值遠高于要求值。對比硬度異常區與正常區域的金相組織可知（見圖8），硬化區的金相組織晶粒度為8級，正常區域的金相組織晶粒度為5級，硬度高的區域比正常區域的金相組織更細。造成葉片出汽邊局部組織細化的原因是葉片磨削加工的過程中，產生了大量的磨削熱，迅速地將葉片局部快速加熱到材料的相變溫度，并且該材料的淬透性優異，空冷的情況下也可得到馬氏體，所以葉片出汽邊被局部升溫后以大于馬氏體相變臨界冷卻速度急速冷卻，從而得到局部的細晶馬氏體組織[1-2]。淬火過程中形成的相變應力，以及細晶區和正常區域組織之間形成的組織應力，使得裂紋附近有較大的拉應力存在。

圖7 裂紋附近HV硬度檢查

圖8 淬硬區及正常區域金相組織對比

3.3 次末級裂紋尖端金相形貌

對裂紋試樣進行金相組織觀察，由圖9可知，在垂直于主裂紋擴展平面的方向上，有從主裂紋擴展的2次裂紋，且均為沿晶裂紋，在出汽邊附近、平行于主裂紋的方向也有多條沿晶微裂紋。

圖9 出汽邊附近的微裂紋形貌

由表4的能譜分析結果可知，裂紋附近存在一定量的點蝕坑，其形成原因是Cl元素等腐蝕性介質的存在，由圖7的硬度分析可知，在開裂位置存在較大的拉應力，點蝕坑的存在易于造成應力集中，環境因素與晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化，例如應力腐蝕條件下晶界易于優先腐蝕等，均促使沿晶斷裂產生。

4 分析及討論

從裂紋的掃描電鏡照片可以明顯看出，裂紋源區附近表面已經發生了較為嚴重的表面磨損，但是仍然能夠在某些區域看到沿晶開裂特征。在沿晶開裂區域后，出現約25 mm長的 “人”字紋快速撕裂形貌， “人”字紋的形成，應與某一時刻出現的較大應力有關，同時，由裂紋截面的金相組織照片可以看出，距出汽邊19 mm的范圍內，從主裂紋上沿垂直于主裂紋的方向延伸出大量的二次沿晶裂紋，包括源區和 “人”字紋擴展區均能看到。在腐蝕介質的作用下，材料表面覆蓋層破裂，局部開始化學侵蝕，形成腐蝕坑或微裂紋，同時因腐蝕性介質對晶界的選擇性腐蝕作用，造成了晶界結合力弱化，在應力作用下，腐蝕坑或微裂紋處產生應力集中，產生開裂、裂紋沿弱化的晶界擴展，形成沿晶斷口特征[3～4]。因此，葉片開裂原因為應力腐蝕，同時，在某次大應力的作用下，應力腐蝕開裂以快速擴展的方式形成撕裂狀“人”字紋區域。

從裂紋試樣內弧面的腐蝕宏觀金相以及HV硬度檢查得知，在出汽邊附近平行于主裂紋的方向存在多條沿晶裂紋，在葉片裂紋位置背弧面存在經深腐蝕后顏色明顯異常的區域，該區域長約26 mm，經HV硬度檢查，其硬度大于HV400，從金相組織看，該區域的晶粒較正常區域細小，為局部淬硬組織。

因此，這種局部的淬硬組織與正常組織的差異會產生較大的組織應力，且在次末級葉片的運行環境下存在大量的腐蝕介質，導致了葉片腐蝕坑和晶界結合力的弱化，從而形成應力腐蝕開裂，在振動應力和離心應力的作用下，發生疲勞裂紋擴展。

5 結論

（1）葉片裂紋開裂形式為應力腐蝕開裂，其開裂與葉片存在的局部硬化有直接關系；應力腐蝕開裂的范圍包括了沿晶區和 “人”字紋擴展區。

（2）裂紋以高周疲勞形式擴展。

[1]莊杰真.磨削淬硬層及其均勻性研究［D］.廈門:集美大學,2011.

[2]劉菊東,候達盤.磨削深度和原始組織對60鋼磨削淬硬層的影響 [C].機械裝備結構材料與表面技術研討會, 2008.

[3]方棟,陳繼志,袁亞民,等.0Cr17Ni4Cu4Nb鋼鍛件延遲斷裂失效分析[J].材料開發與運用,2007,22(4):44-46.

[4]崔約賢,王長利.屬斷口分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1998.

Cracking Analysis of 600 MW Steam Turbine Penultimate Stage Blade

Pei Yubing，Wang Tianjian，Fan Hua

（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Through chemical composition analysis,mechanical property test,metallographic examination and fracture analysis,the reason of cracking on the penultimate stage blade is discussed,the result shows that lots of Cl is in trailing edge and the hardness of a small area near the crack is higher than that of normal area.This local quenching area has huge structural stress,under the combined action of corrosive medium,the blade is fractured by stress corrosion cracking.

steam turbine,penultimate stage blade,cracking

TG143

A

1674-9987（2017）01-052-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.011

裴玉冰 （1988-），女，碩士，工程師，畢業于清華大學機械工程系材料科學與工程專業，現就職于東方汽輪機有限公司材料研究中心，從事葉片材料的研發工作。