某电厂汽轮机中压转子动叶片开裂的原因

陈志军

(内蒙古京宁热电有限公司, 乌兰察布 012000)

动叶片是电站汽轮机将动能向机械能转换的重要部件，其服役工况和受力状态较为复杂。运行过程中，动叶片承受弯曲、扭转、离心等静应力以及蒸汽流所引起的激振应力及热应力[1-2]，这对汽轮机转子动叶片的材料性能和加工工艺要求较为苛刻。大量关于动叶片失效的研究表明，大多数动叶片主要因腐蚀、振动、表面加工质量差等原因导致裂纹萌生，进而引发疲劳失效[3-9]。在动叶片制造过程中，锻造温度控制不当和非金属夹杂物易使动叶片产生锻造裂纹。

某电厂1号机组型号为N330-17.75/ 540/540，由某汽轮电机有限责任公司制造，累计运行45 000 h。在第二次揭缸检修时，发现中压转子第8级动叶片中一支叶片发生开裂，裂纹位于出汽侧的叶根端面，长约为11 mm。中压转子动叶片共12级，其中，第8级共有87支弯扭式叶片，材料为2Cr11NiMoNbVN钢，叶根为中心铆孔叉形，自锁式围带。汽轮机转动部件缺陷会给机组带来极大的安全隐患，为了找出中压转子动叶片开裂的原因，笔者对开裂叶片进行了理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

如图1所示，动叶片上的裂纹平直、开口细小，沿叶片轴线方向分布。叶片外表面未见明显机械损伤、结垢及腐蚀损伤等缺陷，也无易引起应力集中的加工刀痕、缺口等缺陷。

图1 汽轮机动叶片的开裂位置示意Fig.1 Schematic diagram of crack location of steam turbine moving blade

1.2 断口分析

将叶片开裂部位剖开进行观察，如图2所示，可见断口齐平，未见明显塑性变形，表面锈蚀严重，裂纹自叶根表面向基体方向扩展。

图2 动叶片断口的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of moving blade fracture

采用扫描电镜(SEM)，对清洗后的动叶片原始断口和冲击试样的断口(简称冲击断口)进行观察，如图3所示。由图3a)可见，原始断口表面氧化严重，但局部仍有大量完整的晶粒，呈现较为清晰的沿晶断裂形貌特征。由图3b)可见，冲击断口呈现典型的解理断裂形貌特征。

图3 动叶片断口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of rotor blade fracture: a) original fracture; b) impact fracture

1.3 化学成分分析

用SPECTROMAXx型台式直读光谱仪对开裂动叶片进行化学成分分析，结果见表1。由表1可以看出,开裂动叶片中磷元素含量明显高于标准GB/T 8732-2014 《汽轮机叶片用钢》对2Cr11NiMoNbVN钢的技术要求。

表1 动叶片化学化学成分Tab.1 Chemical composition test results of rotor blade

1.4 显微组织观察

在动叶片开裂处取样进行显微组织观察。由图4可见:叶片基体组织为回火马氏体+少量δ铁素体，δ铁素体含量最高的区域未超过5%(体积分数),未见1级或更粗的晶粒，组织基本正常；动叶片主裂纹及分支裂纹均呈现枝杈状沿晶开裂的形貌；主裂纹及分支裂纹两侧的组织均存在明显的全脱碳现象，说明裂纹形成温度为高于AC3的锻造阶段[10]，呈现典型的锻造裂纹特征。

图4 开裂动叶片各部位的显微组织Fig.4 Microstructure of each part of cracked rotor blade:a) matrix; b) main crack; c) branching crack

1.5 力学性能试验

从动叶片开裂处截取试样进行硬度测试，结果见表2，动叶片布氏硬度的实测值符合标准GB/T 8732-2014的技术要求，动叶片的冲击吸收功处于标准要求的下限水平，韧性裕量不足。

表2 开裂动叶片的力学性能测试结果Tab.2 Mechanical property test results of cracked rotor blade

2 分析与讨论

中压转子动叶片裂纹位于叶根端面平台处，裂纹平直、开口细小，沿动叶片轴线方向分布，动叶片表面无腐蚀和损伤痕迹，裂纹分布特征与汽轮机动叶片运行过程中形成的典型开裂缺陷特征不相符。断口微观形貌显示，断口局部仍可以观察到大量完整的晶粒，呈现较为清晰的沿晶开裂特征。

开裂动叶片中磷的含量高于标准要求的上限值。过量的有害元素磷会使动叶片晶界处形成低熔点的共晶产物，在进行锻造等高温热加工过程中动叶片易沿晶界处发生开裂。

显微组织观察显示，动叶片开裂处的主裂纹及分支裂纹均呈现枝杈状沿晶开裂的形态，主裂纹及分支裂纹两侧的组织均存在明显的全脱碳现象。在锻造、轧制等热加工过程中，材料表面在高温环境中会出现脱碳层，其形成和厚度主要受温度和时间的影响。研究表明，在加热过程中随着加热温度的升高，材料脱碳层的深度不断增加。当温度低于1 000 ℃时，材料表面氧化铁皮阻碍碳的扩散，脱碳速率比氧化的慢，随着温度的升高，氧化铁皮形成速率增大，氧化铁皮下碳的扩散速率加快，此时氧化铁皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快[11]。而汽轮机运行最高报警温度为555 ℃，说明该动叶片裂纹不是在汽轮机运行过程中萌生的，而是在热加工过程中由于锻造工艺不当而形成的。初始锻造温度过高或保温时间过长产生过热会弱化晶界，同时该动叶片中有害元素磷的含量超标，易在材料晶界处偏析形成低熔点共晶物，使得晶界更为薄弱，锻造过程中的拉应力超过晶界变形抗力时，便会沿晶开裂[12-13]。

开裂动叶片的冲击吸收功处于标准要求的下限水平，韧性裕量不足，这与材料中有害元素磷含量偏高导致材料脆性增大有关。

3 结论及建议

(1) 1号汽轮机中压转子动叶片开裂的主要原因为动叶片中磷含量超标，形成的低熔点磷化物在晶界聚集。同时，初始锻造温度过高或保温时间较长，使得含有低熔点磷化物的晶界无法承受锻造加工的拉应力分量而在加工时发生沿晶开裂。

(2) 针对动叶片存在的原始缺陷，应排查其他同类型叶片是否存在开裂现象。对于重要金属监督部件应加强制造质量监督及安装前检验，对于动叶片材料杂质元素磷含量偏高、韧性裕量不足问题，应结合机组检修计划做好检验工作。