某電廠汽輪機中壓轉子動葉片開裂的原因

陳志軍

(內蒙古京寧熱電有限公司, 烏蘭察布 012000)

動葉片是電站汽輪機將動能向機械能轉換的重要部件，其服役工況和受力狀態較為復雜。運行過程中，動葉片承受彎曲、扭轉、離心等靜應力以及蒸汽流所引起的激振應力及熱應力[1-2]，這對汽輪機轉子動葉片的材料性能和加工工藝要求較為苛刻。大量關于動葉片失效的研究表明，大多數動葉片主要因腐蝕、振動、表面加工質量差等原因導致裂紋萌生，進而引發疲勞失效[3-9]。在動葉片制造過程中，鍛造溫度控制不當和非金屬夾雜物易使動葉片產生鍛造裂紋。

某電廠1號機組型號為N330-17.75/ 540/540，由某汽輪電機有限責任公司制造，累計運行45 000 h。在第二次揭缸檢修時，發現中壓轉子第8級動葉片中一支葉片發生開裂，裂紋位于出汽側的葉根端面，長約為11 mm。中壓轉子動葉片共12級，其中，第8級共有87支彎扭式葉片，材料為2Cr11NiMoNbVN鋼，葉根為中心鉚孔叉形，自鎖式圍帶。汽輪機轉動部件缺陷會給機組帶來極大的安全隱患，為了找出中壓轉子動葉片開裂的原因，筆者對開裂葉片進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

如圖1所示，動葉片上的裂紋平直、開口細小，沿葉片軸線方向分布。葉片外表面未見明顯機械損傷、結垢及腐蝕損傷等缺陷，也無易引起應力集中的加工刀痕、缺口等缺陷。

圖1 汽輪機動葉片的開裂位置示意Fig.1 Schematic diagram of crack location of steam turbine moving blade

1.2 斷口分析

將葉片開裂部位剖開進行觀察，如圖2所示，可見斷口齊平，未見明顯塑性變形，表面銹蝕嚴重，裂紋自葉根表面向基體方向擴展。

圖2 動葉片斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of moving blade fracture

采用掃描電鏡(SEM)，對清洗后的動葉片原始斷口和沖擊試樣的斷口(簡稱沖擊斷口)進行觀察，如圖3所示。由圖3a)可見，原始斷口表面氧化嚴重，但局部仍有大量完整的晶粒，呈現較為清晰的沿晶斷裂形貌特征。由圖3b)可見，沖擊斷口呈現典型的解理斷裂形貌特征。

圖3 動葉片斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of rotor blade fracture: a) original fracture; b) impact fracture

1.3 化學成分分析

用SPECTROMAXx型臺式直讀光譜儀對開裂動葉片進行化學成分分析，結果見表1。由表1可以看出,開裂動葉片中磷元素含量明顯高于標準GB/T 8732-2014 《汽輪機葉片用鋼》對2Cr11NiMoNbVN鋼的技術要求。

表1 動葉片化學化學成分Tab.1 Chemical composition test results of rotor blade

1.4 顯微組織觀察

在動葉片開裂處取樣進行顯微組織觀察。由圖4可見:葉片基體組織為回火馬氏體+少量δ鐵素體，δ鐵素體含量最高的區域未超過5%(體積分數),未見1級或更粗的晶粒，組織基本正常；動葉片主裂紋及分支裂紋均呈現枝杈狀沿晶開裂的形貌；主裂紋及分支裂紋兩側的組織均存在明顯的全脫碳現象，說明裂紋形成溫度為高于AC3的鍛造階段[10]，呈現典型的鍛造裂紋特征。

圖4 開裂動葉片各部位的顯微組織Fig.4 Microstructure of each part of cracked rotor blade:a) matrix; b) main crack; c) branching crack

1.5 力學性能試驗

從動葉片開裂處截取試樣進行硬度測試，結果見表2，動葉片布氏硬度的實測值符合標準GB/T 8732-2014的技術要求，動葉片的沖擊吸收功處于標準要求的下限水平，韌性裕量不足。

表2 開裂動葉片的力學性能測試結果Tab.2 Mechanical property test results of cracked rotor blade

2 分析與討論

中壓轉子動葉片裂紋位于葉根端面平臺處，裂紋平直、開口細小，沿動葉片軸線方向分布，動葉片表面無腐蝕和損傷痕跡，裂紋分布特征與汽輪機動葉片運行過程中形成的典型開裂缺陷特征不相符。斷口微觀形貌顯示，斷口局部仍可以觀察到大量完整的晶粒，呈現較為清晰的沿晶開裂特征。

開裂動葉片中磷的含量高于標準要求的上限值。過量的有害元素磷會使動葉片晶界處形成低熔點的共晶產物，在進行鍛造等高溫熱加工過程中動葉片易沿晶界處發生開裂。

顯微組織觀察顯示，動葉片開裂處的主裂紋及分支裂紋均呈現枝杈狀沿晶開裂的形態，主裂紋及分支裂紋兩側的組織均存在明顯的全脫碳現象。在鍛造、軋制等熱加工過程中，材料表面在高溫環境中會出現脫碳層，其形成和厚度主要受溫度和時間的影響。研究表明，在加熱過程中隨著加熱溫度的升高，材料脫碳層的深度不斷增加。當溫度低于1 000 ℃時，材料表面氧化鐵皮阻礙碳的擴散，脫碳速率比氧化的慢，隨著溫度的升高，氧化鐵皮形成速率增大，氧化鐵皮下碳的擴散速率加快，此時氧化鐵皮失去保護能力，達到某一溫度后脫碳反而比氧化快[11]。而汽輪機運行最高報警溫度為555 ℃，說明該動葉片裂紋不是在汽輪機運行過程中萌生的，而是在熱加工過程中由于鍛造工藝不當而形成的。初始鍛造溫度過高或保溫時間過長產生過熱會弱化晶界，同時該動葉片中有害元素磷的含量超標，易在材料晶界處偏析形成低熔點共晶物，使得晶界更為薄弱，鍛造過程中的拉應力超過晶界變形抗力時，便會沿晶開裂[12-13]。

開裂動葉片的沖擊吸收功處于標準要求的下限水平，韌性裕量不足，這與材料中有害元素磷含量偏高導致材料脆性增大有關。

3 結論及建議

(1) 1號汽輪機中壓轉子動葉片開裂的主要原因為動葉片中磷含量超標，形成的低熔點磷化物在晶界聚集。同時，初始鍛造溫度過高或保溫時間較長，使得含有低熔點磷化物的晶界無法承受鍛造加工的拉應力分量而在加工時發生沿晶開裂。

(2) 針對動葉片存在的原始缺陷，應排查其他同類型葉片是否存在開裂現象。對于重要金屬監督部件應加強制造質量監督及安裝前檢驗，對于動葉片材料雜質元素磷含量偏高、韌性裕量不足問題，應結合機組檢修計劃做好檢驗工作。