汽輪機軸斷裂失效分析

韓成樹，夏明六

(銅陵市特種設備監督檢驗中心，安徽 銅陵 244000)

1 引言

某公司汽輪機軸在使用過程中發生斷裂，斷裂汽輪機軸的材料為25Cr2MoV，使用溫度為450 ℃，工況壓力4.2 MPa，為分析汽輪機軸斷裂的原因，對斷裂的汽輪機軸進行了失效分析。

2 理化檢驗及結果

2.1 宏觀形貌分析

汽輪機軸斷口宏觀形貌照片見圖1，汽輪機軸端面可以分為兩個半圓的平整區和心部的“一字”花樣粗糙區構成，為典型的雙向彎曲疲勞斷裂斷口[1]。斷裂源起源于汽輪機軸的外表面，裂紋呈現多源的特征，裂紋從斷口兩側開始向內擴展，最終在汽輪機軸心部斷裂，呈現心部的“一”字型花樣。根據汽輪機軸的斷口特征可以確定在結構上斷裂位于螺紋處，該處應力集中，在受力方面汽輪機軸斷裂的原因為受到左右兩側的彎曲應力，根據汽輪機軸的工況條件，汽輪機軸受到振動，可以確定汽輪機軸的斷裂原因在結構上該處應力集中，汽輪機軸受到受迫振動。

圖1 汽輪機軸斷口宏觀形貌照片

2.2 化學成分分析

斷裂汽輪機軸的化學成分檢測結果見表1，從表1可以看出兩根汽輪機軸的化學成分都滿足:《GB/T3077-1999合金結構鋼》規定的25Cr2MoVA要求，可以確定兩根汽輪機軸材料均為25Cr2MoVA。

表1 汽輪機軸化學成分檢測結果 %

2.3 力學性能測試

汽輪機軸的拉伸性能和沖擊性能測試結果見表2，從表2可以看出汽輪機軸的所有力學性能指標皆低于《GB/T3077-1999合金結構鋼》國家標準規定25Cr2MoVA的力學性能要求，說明汽輪機軸的材質在運轉中發生了劣化。

表2 汽輪機軸力學性能檢驗結果

2.4 金相顯微組織分析

汽輪機軸外表面金相顯微組織照片見圖2，從圖2中可以看出汽輪機軸外表面有一層6～9μm化合物層，近外表面金相組織中有大量的顆粒狀石墨析出[2]，說明汽輪機軸外表面金相組織發生了嚴重的石墨化。

圖2 汽輪機軸金相顯微組織照片

2.5 汽輪機軸斷口SEM微觀形貌分析

汽輪機軸斷口掃描電鏡微觀形貌照片見圖3，汽輪機軸裂紋源處有大量因石墨脫落而形成的空洞，擴展區微觀形貌主要為輪胎花樣[3]，是典型的疲勞斷口微觀形貌，最終斷裂區為韌窩狀花樣，在整個斷口表面有大量的球狀石墨析出。

圖3 汽輪機軸斷口表面SEM微觀形貌照片

2.6 汽輪機軸斷口EDS微區化學成分分析

斷口表面析出物EDS微區化學成分分析結果見表3，EDS分析結果表明析出物主要化學元素為C元素，這也說明汽輪機軸的材質劣化的原因主要是石墨化。其余Fe、Al、Si等元素來自于汽輪機軸材料，Ca元素可能為水蒸汽中帶來。

表3 汽輪機軸斷口表面EDS微區化學成分檢測結果 %

3 汽輪機軸斷裂原因分析

綜合以上分析，汽輪機軸的斷裂類型為雙向彎曲疲勞斷裂，根據汽輪機軸的斷裂位置可知，斷裂處為應力集中處，該類型疲勞斷裂的主要原因是汽輪機軸運轉過程中受到的振動。

汽輪機軸原材料化學成分符合25Cr2MoVA要求，但汽輪機軸金相組織中有大量的石墨析出，導致汽輪機軸的抗拉強度、塑性、韌性均低于標準要求，說明汽輪機軸的材料在使用過程中已經嚴重劣化，這是汽輪機軸發生疲勞斷裂的根本原因。

4 結論與建議

汽輪機軸斷裂類型為雙向彎曲疲勞斷裂，汽輪機軸斷裂的根本原因為材質的劣化即金相組織的石墨化；建議選用更耐高溫的材料，在結構上避免應力集中，并盡量減小設備的振動。

[1] 束德林.工程材料力學性能[M].2版.北京： 機械工業出版社，2007.

[2] 馬李洋,師紅旗,丁 毅,等. 安全閥彈簧斷裂失效分析[J].熱加工工藝, 2010,39(12):191-193.

[3] 鐘群鵬,趙子華.斷口學[M].北京：高等教育出版社，2006.