摘 要:某電廠汽輪機中壓轉子動葉片在使用過程中發生開裂,通過宏觀觀察、化學成分分析、 力學性能試驗、顯微組織觀察及斷口分析等方法,分析了動葉片開裂的原因。結果表明:動葉片裂 紋呈沿晶擴展,裂紋兩側的顯微組織存在明顯的全脫碳現象,說明裂紋形成于熱加工階段,為典型 的原始鍛造裂紋;材料中磷含量超標,使晶界處易形成低熔點脆性共晶產物,在鍛造加工過程中材 料晶界處易形成沿晶裂紋;裂紋在工作載荷作用下逐漸擴展,最后造成葉片開裂。
關鍵詞:汽輪機;中壓轉子動葉片;鍛造裂紋;沿晶裂紋
中圖分類號:TK263.3 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0033-04
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 45000h。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11mm。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 1000℃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。
參考文獻:
[1] 蔡文河,嚴蘇星.電站重要金屬部件的失效及其監督 [M].北京:中國電力出版社,2009:44-63.
[2] 劉志江.超臨界500MW 汽輪機960mm葉片斷裂分 析[J].中國電力,2002,35(5):1-4.
[3] 鄭坊平,王弘喆,劉樹濤,等.300MW 機組鎖口葉片 斷裂原因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2011,47(1):49-52,63.
[4] 本手冊編委會.火力發電廠金屬材料手冊[M].北京: 中國電力出版社,2001.
[5] 張小伍,陳嘯,田宇.汽輪機低壓次末級葉片開裂原因 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2011,47(2):130- 132.
[6] 李青,李乃寒,孔慧霞,等.汽輪機調節級葉片斷裂原 因的研究[J].熱力發電,1994,23(4):32-35.
[7] 訾壯輝,王梅英.某電廠600MW 機組葉片斷裂分析 [J].理化檢驗(物理分冊),2010,46(7):459-461.
[8] 宋文希,谷偉偉,張永海,等.某600MW 汽輪機低壓 第6級動葉片斷裂原因分析[J].汽輪機技術,2018, 60(1):66-68.
[9] 謝建峰.某熱電廠汽輪機葉片斷裂失效原因分析[J]. 黑龍江電力,2002,24(6):432-433.
[10] 龔志華,王 利 偉, 姚 斌, 等. 鍛 造 工 藝 對 2Cr11Mo1VNbN鋼橫縱向組織及性能的影響[J].鋼 鐵,2019,54(11):88-93.
[11] 藺云峰.防止鍛造加熱缺陷產生的對策[J].科技情報 開發與經濟,2009,19(1):213-214.
[12] 王有銘,王海鳳.1Cr12Mo模鍛葉片裂紋分析[J].汽 輪機技術,2003,45(6):411-412.
[13] 王志強.近焊縫區液化裂紋產生原因分析[J].焊管, 2018,41(12):44-47.