某鍋爐引風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析

陳學(xué)進(jìn), 韓紀(jì)層, 林海晴

(1. 國投宣城發(fā)電有限責(zé)任公司, 宣城 242052; 2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院, 福州 350007)

鍋爐引風(fēng)機(jī)作為鍋爐的煙氣排出和送風(fēng)設(shè)備，在運(yùn)行中其葉片要經(jīng)受煙氣中飛灰的不斷沖蝕，因此要求引風(fēng)機(jī)葉片材料需具備良好的韌性、出色的表面耐磨性和較好的耐腐蝕性能[1]。但由于惡劣的運(yùn)行環(huán)境和復(fù)雜的受力狀況，引風(fēng)機(jī)葉片斷裂事故仍時(shí)有發(fā)生[2-6],且不同型號(hào)和材料的引風(fēng)機(jī)葉片斷裂的原因通常不同。某電廠3號(hào)鍋爐3B引風(fēng)機(jī)投用2 a(年)后在運(yùn)行中突然跳閘，檢查后發(fā)現(xiàn)其二級(jí)動(dòng)葉片全部變形，其中一片已從根部斷裂，另一片發(fā)生開裂。該引風(fēng)機(jī)葉片材料為15MnV鋼，葉片向爐面進(jìn)氣邊(厚邊)堆焊層上噴涂有Ni60+WC混合物，葉片背爐面噴涂有Ni60粉末，葉片的服役溫度為90～120 ℃。為查明該引風(fēng)機(jī)葉片斷裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀查

對(duì)已斷裂的葉片進(jìn)行宏觀觀查，發(fā)現(xiàn)葉片斷裂處位于距葉片根部的1/4～1/3區(qū)域。該葉片向爐面表面已生銹呈黃色，葉片薄邊處有凹槽，推測(cè)這是葉片在斷裂后飛出撞擊引風(fēng)機(jī)內(nèi)部所致，如圖1a)所示。葉片向爐面邊緣處涂層碎裂，形成縱橫交錯(cuò)的裂紋網(wǎng)，如圖1b)所示。對(duì)葉片中間區(qū)域的基體進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋。葉片背爐面表面比較光亮，存在很多肉眼可見的裂紋，如圖2a)所示。葉片背爐面堆焊區(qū)域的裂紋由邊緣向內(nèi)部擴(kuò)展，如圖2b)所示。

觀察另一片開裂葉片，發(fā)現(xiàn)開裂處位于葉面1/3～1/2的中部區(qū)域，裂紋從葉片堆焊?jìng)?cè)邊緣向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋尖端已擴(kuò)展到接近葉片寬度的一半，如圖3所示。

圖1 斷裂葉片向爐面的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of facing furnace surface of fractured blade: a) whole; b) blade edge

圖2 斷裂葉片背爐面的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of back furnace surface of fractured blade: a) whole; b) blade edge

圖3 開裂葉片的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of cracked blade

葉片斷口被破壞無法識(shí)別出裂紋源區(qū)，如圖4a)所示。葉片根部側(cè)斷口平齊，未觀察到明顯的塑性變形，如圖4b)所示。葉片進(jìn)氣邊(厚邊)斷口邊緣存在損傷，如圖4c)中圈出位置所示。葉片薄邊斷口存在斷裂時(shí)撕裂的痕跡，如圖4d)所示。結(jié)合圖2和圖3中葉片的斷裂和開裂部位可以判斷，裂紋起源于葉片厚邊并逐漸向葉片薄邊擴(kuò)展，最后在葉片薄邊發(fā)生斷裂。

圖4 斷裂葉片斷口的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the fracture of fractured blade:a) whole; b) blade root; c) blade thick edge; d) blade thin edge

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂葉片橫截面取樣，采用XL2-800型手持式合金分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見斷裂葉片的化學(xué)成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)15MnV鋼成分的技術(shù)要求。

表1 斷裂葉片的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured blade (mass fraction) %

1.3 拉伸性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，在斷裂葉片上截取拉伸試樣，采用CMT5205型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。可見葉片的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率符合GB/T 1591—2018的技術(shù)要求。

表2 斷裂葉片的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile properties test results of fractured blade

1.4 金相檢驗(yàn)

分別在斷裂葉片堆焊區(qū)背爐面和向爐面、斷口附近縱截面取樣，試樣經(jīng)打磨、拋光并用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用Axio Observer A1m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖5可見，在葉片堆焊區(qū)背爐面涂層內(nèi)部以及涂層與基體的結(jié)合面上存在孔洞，較大的孔洞直徑達(dá)到100 μm；涂層內(nèi)部存在貫穿涂層的裂紋，并向葉片基體內(nèi)部延伸。在堆焊區(qū)向爐面涂層內(nèi)部存在大量塊狀顆粒，顆粒直徑約為50 μm，推測(cè)是碳化鎢顆粒；涂層內(nèi)部存在縱向裂紋，裂紋從涂層表面向內(nèi)部擴(kuò)展，且穿過界面擴(kuò)展到基體。葉片斷口附近縱截面基體顯微組織為鐵素體+珠光體，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜、氣孔等缺陷，說明基體組織質(zhì)量合格；葉片堆焊區(qū)向爐面顯微組織為馬氏體+少量鐵素體，如圖6所示。

1.5 硬度測(cè)試

在斷裂葉片基體、基體和堆焊層界面處取樣，采用FM-810型數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表3所示。可見葉片基體的維氏硬度遠(yuǎn)低于

圖5 葉片堆焊區(qū)背爐面和向爐面的顯微組織Fig.5 Microstructure of back and facing furnace surface of blade surfacing weld area: a) morphology of back furnace surface at low magnification; b) morphology of back furnace surface at high magnification;c) morphology of facing furnace surface at low magnification; d) morphology of facing furnace surface at high magnification

圖6 葉片斷口附近縱截面不同部位的顯微組織Fig.6 Microstructure of different parts of longitudinalsection near blade fracture:a) matrix; b) facing furnace surface of surfacing weld area

基體和堆焊層界面處的。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，基體和堆焊層界面熱影響區(qū)的顯微組織為馬氏體+鐵素體，且晶粒粗大，因而硬度較高。

表3 斷裂葉片不同部位維氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Vickers hardness test results of different parts of fractured blade HV0.1

2 分析與討論

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，引風(fēng)機(jī)葉片基體的材料符合標(biāo)準(zhǔn)要求，材料的顯微組織和拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由宏觀觀查結(jié)果可知，裂紋起源于葉片厚邊向葉片薄邊擴(kuò)展，最終在薄邊斷裂。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，葉片厚邊裂紋起源于向爐面堆焊區(qū)涂層表面及涂層與基體的界面，葉片堆焊層表面涂層內(nèi)部及涂層與基體的界面處存在孔洞。裂紋起源和擴(kuò)展方式有兩種：一種是涂層表面產(chǎn)生裂紋，裂紋向涂層內(nèi)部擴(kuò)展，并穿過界面向基體內(nèi)部擴(kuò)展；另一種是在涂層與基體的界面產(chǎn)生裂紋，裂紋向涂層和基體內(nèi)部擴(kuò)展。上述裂紋貫穿堆焊層，在應(yīng)力的作用下向葉片薄邊不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致葉片斷裂。裂紋起源及擴(kuò)展機(jī)理如圖7所示。

圖7 裂紋起源及擴(kuò)展機(jī)理示意圖Fig.7 Schematic diagram of crack origin and propagation mechanism: a) macrocrack propagation direction;b) crack origin and propagation mode of thick edge

引風(fēng)機(jī)葉片要經(jīng)受振動(dòng)和煙氣沖蝕，需要具有良好的韌性、耐磨性和耐腐蝕性能[7]。在鋼表面噴涂鎳基碳化鎢涂層可以提高鋼表面耐磨性和抗沖蝕性能[8-9]，因此以韌性良好的15MnV鋼作為基材，在其表面噴涂耐磨耐腐蝕的Ni60(WC)涂層后所得的材料，可以實(shí)現(xiàn)基體具有良好沖擊韌性的同時(shí)，表面具有良好的耐磨損和耐腐蝕性能，該材料非常適合用于制造引風(fēng)機(jī)葉片[10]。然而斷裂葉片在厚邊進(jìn)行了堆焊，堆焊區(qū)組織為脆硬的馬氏體+少量鐵素體，內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，且其缺口敏感性較高。在堆焊層表面進(jìn)行Ni60(WC)涂層熱噴涂時(shí)，熔融粒子與基體的溫差較大，且涂層與基體的熱膨脹系數(shù)不同，這導(dǎo)致涂層與基體界面的殘余應(yīng)力增大。由于噴涂工藝不當(dāng)，在涂層內(nèi)部及涂層和基體的界面處產(chǎn)生了較多孔洞，成為涂層及涂層和基體界面的薄弱區(qū)。引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，葉片一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，葉片向爐面承受巨大的風(fēng)壓，導(dǎo)致進(jìn)氣邊產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；煙氣中含有大量的飛灰及煙塵，葉片向爐面一直受到煙氣高速、持續(xù)的沖刷，使葉片受到磨損。此外，在引風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中振動(dòng)過大會(huì)使葉片受到不平衡力，在應(yīng)力集中處萌生裂紋源導(dǎo)致葉片提前斷裂。

綜上所述，葉片厚邊堆焊層未經(jīng)合適的消除應(yīng)力熱處理，存在脆硬的馬氏體組織。在堆焊層上進(jìn)行的熱噴涂工藝存在控制不當(dāng)?shù)膯栴}，導(dǎo)致在涂層內(nèi)部和涂層與基體界面產(chǎn)生孔洞，降低了涂層的強(qiáng)度和韌性，削弱了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。葉片服役過程中在風(fēng)壓、飛灰及煙塵的沖刷、振動(dòng)應(yīng)力以及焊接和熱噴涂殘余應(yīng)力的綜合作用下，葉片堆焊邊緣的涂層表面或涂層與基體的界面發(fā)生開裂，裂紋向基體內(nèi)部擴(kuò)展，葉片厚邊裂紋增加了厚邊缺口敏感性，造成應(yīng)力集中，裂紋向薄邊不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉片發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論及建議

引風(fēng)機(jī)葉片厚邊存在脆硬的堆焊層，在堆焊層表面進(jìn)行的熱噴涂工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致涂層內(nèi)部及涂層和基體的界面產(chǎn)生孔洞，降低了涂層的強(qiáng)度、韌性以及涂層和基體界面的結(jié)合強(qiáng)度，在風(fēng)壓、飛灰和煙塵的沖刷以及振動(dòng)應(yīng)力的作用下，葉片涂層表面或涂層與基體界面發(fā)生開裂，并向葉片內(nèi)部擴(kuò)展，造成葉片厚邊缺口應(yīng)力集中，裂紋不斷向葉片薄邊擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉片發(fā)生斷裂。

建議改進(jìn)葉片厚邊堆焊工藝或不堆焊，避免葉片厚邊基體出現(xiàn)脆硬的馬氏體組織。改進(jìn)表面熱噴涂工藝，提高表面涂層的質(zhì)量，避免涂層內(nèi)部和涂層與基體的界面產(chǎn)生孔洞等缺陷。