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汽輪機(jī)在檢修過程中發(fā)現(xiàn)中壓轉(zhuǎn)子動葉片葉根發(fā)生開裂。為找出葉片開裂原因，利用宏形貌分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相顯微組織檢測及斷口微區(qū)分析等方法對開裂葉片進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

 

主要原因?yàn)椋涸搫尤~片在制造過程中進(jìn)行鍛造加工時，由于鍛造工藝不當(dāng)形成的原始鍛造裂紋。

 

汽輪機(jī)為N330-17.75/540/540型、亞臨界蒸汽參數(shù)、一次中間再熱、直接空冷、單軸雙排汽采暖抽汽供熱式機(jī)組。該機(jī)組于2011年10月15日投產(chǎn)運(yùn)行，已累計運(yùn)行約48000h。

 

表1 #5鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

 

名稱	單位	額定工況	VWO工況
額定功率	MW	330	352.7
過熱蒸汽壓力	MPa	17.750	17.750
過熱蒸汽溫度	℃	540	540
高壓進(jìn)口流量	kg/s	257.78	278.89
再熱蒸汽壓力	MPa	3.7217	4.0107
再熱蒸汽溫度	℃	540	540
中壓進(jìn)口流量	kg/s	234.97	253.61
低壓進(jìn)口壓力	MPa	0.4742	0.5090
低壓進(jìn)口溫度	℃	257.6	256.9
冷凝器真空度	MPa	0.0053	0.0053

 

汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子動葉共12級，大修期間，檢查發(fā)現(xiàn)中壓轉(zhuǎn)子動葉片葉根出汽側(cè)發(fā)現(xiàn)一條長約11mm的裂紋，材質(zhì)為2Cr11NiMoVNbNB。

為了找出中壓轉(zhuǎn)子動葉片開裂原因，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行, 對汽輪機(jī)開裂的中壓轉(zhuǎn)子動葉片進(jìn)行取樣試驗(yàn)分析。

 

1試驗(yàn)方法及分析

 

01宏觀檢查

 

對開裂的中壓轉(zhuǎn)子動葉片宏觀形貌進(jìn)行檢查，如圖1所示?？梢钥闯?，中壓轉(zhuǎn)子動葉片的開裂點(diǎn)位于葉根出汽側(cè)端面，裂紋長度約為11mm，裂紋平直、開口細(xì)小，沿葉片軸線方向分布。葉片外部未見明顯機(jī)械損傷及腐蝕損傷等缺陷。將開裂部位剖開進(jìn)行觀察，斷口齊平，表面銹蝕嚴(yán)重，自葉片表面向基體擴(kuò)展分布。

 

 

圖1 開裂葉片的現(xiàn)場形貌及宏觀形貌

 

02斷口微觀形貌分析

 

將解剖的開裂斷口清洗后利用掃描電子顯微鏡（SEM）對其進(jìn)行微區(qū)形貌的分析。可以看出，盡管動葉片的斷口表面氧化嚴(yán)重，但斷口局部仍可以觀察到較為清晰的沿晶斷裂形貌特征，如圖(a)所示；而葉片材料正常的沖擊斷口則呈現(xiàn)典型的解理斷裂特征，如圖(b)所示。

 

 

03化學(xué)成分分析

 

直讀光譜儀對開裂中壓轉(zhuǎn)子動葉片的金屬基體進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果見表2。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732-2014《汽輪機(jī)葉片用鋼》和GB/T 222-2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》要求，可以看出中壓轉(zhuǎn)子動葉片的主要合金成分中P元素含量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求，其他合金化元素含量與標(biāo)準(zhǔn)對2Cr11NiMoVNbNB材質(zhì)的要求相一致。

 

表2 化學(xué)分析結(jié)果/%

 

檢測元素	C	Si	Mn	Cr
GB/T 8732—2014	0.15～0.2	≤0.50	0.5～0.8	10.0～12.0
中壓轉(zhuǎn)子動葉片	0.20	0.43	0.66	11.10
檢測元素	Mo	V	Nb	N
GB/T 8732—2014	0.6～0.9	0.2～0.3	0.2～0.6	0.04～0.09
中壓轉(zhuǎn)子動葉片	0.60	0.17	0.52	0.064
檢測元素	Ni	Cu	P	S
GB/T 8732—2014	0.3～0.6	≤0.10	≤0.02	≤0.015
中壓轉(zhuǎn)子動葉片	0.47	0.13	0.043	0.002

 

04金相分析

 

對開裂的中壓轉(zhuǎn)子動葉片取樣進(jìn)行金相分析。動葉片的基體組織為回火馬氏體+少量δ鐵素體，δ鐵素體含量最嚴(yán)重視場未超過5%；組織中未見嚴(yán)重夾雜物；其奧氏體平均晶粒度為7～8級，未見1級或更粗的晶粒，組織狀態(tài)基本正常。開裂部位的金相組織顯示，主裂紋及分支裂紋均呈現(xiàn)枝杈狀沿晶開裂的形態(tài)分布，同時，主裂紋及分支裂紋兩側(cè)的組織存在明顯的脫碳現(xiàn)象，裂紋細(xì)小且內(nèi)部明顯氧化，說明裂紋形成于溫度較高的階段，具有較為典型的熱加工過程中形成的鍛造裂紋的特征，如圖2所示。

 

 

圖2  開裂動葉片各部位金相組織

 

05力學(xué)性能測試

 

從開裂的中壓轉(zhuǎn)子動葉片上取樣進(jìn)行硬度測試，結(jié)果見表3。可以看出，2Cr11NiMoVNbNB動葉片材料的布氏硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求；葉片材料的沖擊吸收能量處于標(biāo)準(zhǔn)要求下限水平，韌性裕量不足。

 

表3 中壓轉(zhuǎn)子動葉片硬度測試結(jié)果

 

檢測項(xiàng)目	布氏硬度/HBW	沖擊吸收能量AKV2/J
GB/T 8732-2014	277～331	20
開裂動葉片	293	≥20

 

2葉片開裂原因分析

 

從開裂形貌分析，中壓轉(zhuǎn)子動葉片的開裂點(diǎn)位于葉根根面平臺處，裂紋平直、開口細(xì)小、沿葉片軸線方向分布，其分布狀態(tài)及特征與汽輪機(jī)葉片運(yùn)行過程中形成的典型開裂缺陷特征不相符。開裂處斷口齊平，表面銹蝕嚴(yán)重，從銹蝕嚴(yán)重程度判斷裂紋形成于較高的溫度條件下。斷口微區(qū)形貌顯示，盡管斷口表面氧化嚴(yán)重，但局部仍可以觀察到較為清晰的沿晶斷裂形貌。

 

從化學(xué)成分分析，中壓轉(zhuǎn)子動葉片的主要合金成分中P元素含量高于標(biāo)準(zhǔn)允許的上限值一倍以上。有害元素P的過量存在，易在葉片材料的晶界處形成脆性夾雜物，在進(jìn)行鍛造等熱加工過程中易沿夾雜物處形成裂紋。

從金相組織分析，中壓轉(zhuǎn)子動葉片的基體組織未見明顯異常。開裂處主裂紋及分支裂紋均呈現(xiàn)枝杈狀沿晶開裂的形態(tài)分布，主裂紋及分支裂紋兩側(cè)的組織存在明顯的脫碳現(xiàn)象且內(nèi)部明顯氧化，說明裂紋形成于溫度較高的階段，具有較為典型的熱加工過程中形成的鍛造裂紋的特征。

從力學(xué)性能分析，中壓轉(zhuǎn)子動葉片2Cr11NiMoVNbNB動材料的布氏硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求；葉片材料的沖擊吸收能量處于標(biāo)準(zhǔn)要求下限水平，韌性裕量不足，這有可能與材料中雜質(zhì)元素P含量偏高，造成材料脆性增大相關(guān)。

 

參考文獻(xiàn)：

 

[1] 王慶和. 汽輪機(jī)表面裂紋檢查方法及影響因素.

[2] 李永明. 汽輪機(jī)葉片損壞事故及預(yù)防. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2009年第7期.

[3] 趙永明, 遲鳴聲, 付榮真. 秦山核電廠320MW汽輪機(jī)靜葉片裂紋的焊接修復(fù).