超临界机组低压末三级叶片开裂原因分析.pdf

收稿日期:作者简介:邓 辉()男河南商丘人硕士中级工程师 主要研究方向为理化检验与失效分析超临界机组低压末三级叶片开裂原因分析邓 辉(中国大唐集团科学技术研究院有限公司中南电力试验研究院郑州)摘要:某超临界机组低压转子末三级叶片发生开裂取样进行了宏观检验、化学成分分析、显微硬度试验、力学性能试验、显微组织及能谱分析 结果表明:叶片热处理工艺控制不当导致在出汽侧边缘形成宽约 的硬化层和不均匀马氏体组织材料耐蚀性下降机组运行时汽水品质不佳存在、等腐蚀元素叶片形成腐蚀点坑在叶片离心力产生的拉应力和残余应力的共同作用下在应力集中的出汽侧边缘点坑处萌生微裂纹继而发生应力腐蚀开裂关键词:叶片裂纹腐蚀点坑残余应力应力腐蚀分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:前 言低压转子动叶片是电站汽轮发电机组的重要受监金属部件由叶顶、叶身、叶根和连接部分组成 动叶片工作条件复杂每一级叶片工作温度不同末一级和末二级动叶片叶身较长受力较大且处于过热蒸汽向饱和蒸汽过渡的湿蒸汽区域所以断裂多发生在这两级上 但近年来一些超(超)临界机组参与深度调峰机组的启停和负荷的频繁变化使转子中工作介质的流速、温度、压力发生变化湿蒸汽区域扩大所以在一些不易失效的部位也发生了一些失效案例 在近些年的工作中通过相控阵检测和渗透检测发现了多台超(超)临界机组低压转子末三级动叶片开裂严重危及着汽轮机的安全稳定运行 若处置不当则会导致机组停运造成重大经济损失更有甚者会发生人身伤亡的灾难性事故 因此有必要开展对低压转子末三级动叶片裂纹的原因分析 试验材料某电厂 超临界机组于 年 月投产已累计运行约 万小时 低压转子动叶片共 级末三级(第 级)每级 只叶片叶片材质为 在近期检修过程中发现末三级共 只叶片存在裂纹缺陷裂纹均位于叶身出汽侧边缘 本次试验材料取其中一个裂纹情况最严重的叶片渗透检测后发现在叶身出汽侧边缘共存在 条裂纹形貌如图 所示 经测量裂纹 长 裂纹 长 裂纹 长.裂纹 长 裂纹 长 均已穿透叶身且在叶片靠近叶根处的外弧面表面存在密密麻麻的点坑其它部位点坑稀疏且分散 试验结果及分析.宏观检验 在叶片上截取试样(包含裂纹尖端)和试样(包含第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.图 叶片外弧面和内弧面表面形貌裂纹、裂纹、裂纹)抛光后在体式显微镜下观察外弧面表面形貌如图 所示 从图()和图()可以看出两个试样的表面均存在少量分散的腐蚀点坑且出汽侧边缘粗糙有受到腐蚀的痕迹裂纹均起源于出汽侧边缘蚀坑处然后沿叶身横向或斜向扩展 以裂纹 为例可以观察到裂纹 在出汽侧边缘蚀坑起裂后沿叶身斜向扩展且穿过一较大尺寸腐蚀点坑如图()所示.化学成分分析对试样 和试样 采用 直读光谱仪进行化学成分分析检测结果见表 从检测结果可以看出叶片各元素成分符合/汽轮机叶片用钢标准要求图 试样 和试样 外表面形貌 表 叶片试样的化学成分(质量分数)样品试样.试样./.显微硬度试验依据/.金属材料 维氏硬度试验 第 部分:试验方法对试样 不同位置进行显微硬度试验检测位置如图 所示检测结果见表 从表 可以看出裂纹 尖端附近硬度不均匀存在局部硬化区域硬化区硬度值在 以上正常区域硬度为 参考/.金属材料 里氏硬度试验 第 部分:硬度值换算表正常区域布氏硬度符合/汽轮机叶片用钢标准要求硬化区布氏硬度远高于标准要求上限为了确定硬化区域的范围随机截取叶片横截面全尺寸试样在靠近外弧面、中心、靠近内弧面 条线上沿距出汽侧边缘不同距离进行显微硬度试验结果见表 依据硬度值的差异得出硬化区域如图 所示由图 可知硬化区为距出汽侧边缘宽约 的区域且硬度值均在 以上正常区域硬度值为 左右与上述试样 硬度检测结果基本一致图 试样 硬度测点示意图.力学性能试验受叶片尺寸限制取靠近叶根处试样依据/.金属材料拉伸试验第 部分:室温试验方法 和/金属材料 夏比摆锤冲击试验方法 在电子万能试验机和 冲击试验机上 表 试样 硬度检测结果()数 据测 点 位 置实测值/汽 轮 机 技 术 第 卷 表 横截面试样硬度检测结果()位 置距出汽侧边缘距离/靠近外弧面中心靠近内弧面图 横截面试样硬化区实物图和示意图进行室温拉伸和冲击试验检验结果见表 从表 可以看出叶片的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收功满足/汽轮机叶片用钢标准要求 表 叶片的室温力学性能数 据/./试样/.显微组织分析图 试样 不同区域和裂纹 不同位置的金相照片依据/钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法在 光学显微镜下对叶片进行非金属夹杂物分析结果如图 所示 评定类别为 类球状氧化物级别为 符合/汽轮机叶片用钢中关于非金属夹杂物含量的要求对试样 不同硬度区域及裂纹 不同位置进行金相组图 叶片中的非金属夹杂物织观察结果如图 所示 从图()图()可以看出试样 组织不均匀硬化区为细小回火马氏体组织非硬化区为粗大的板条马氏体硬化区和非硬化区有明显的分界线均无 铁素体 裂纹起源处为出汽侧边缘点坑裂纹呈沿晶和穿晶混合形式扩展主裂纹上存在大量呈树枝状的沿晶型分支裂纹裂纹尖端附近存在二次裂纹 主裂纹上和分支裂纹上存在灰、黑色腐蚀产物呈现出应力腐蚀开裂的特征如图()图()所示.及 能谱分析将裂纹 打开后在 扫描电镜下观察断口形貌结果如图 所示 从图()可以看出断口无明显塑性变形断口齐平 裂纹源位于叶片出汽侧边缘的腐蚀坑第 期邓 辉:超临界机组低压末三级叶片开裂原因分析 图 裂纹 打开后扫描电镜下断口形貌处裂纹萌生后沿着叶片横向扩展扩展区无疲劳辉纹特征断口上存在微小孔洞孔洞内部观察到明显“泥坑状”形貌且可以看到断口表面被腐蚀或氧化产物覆盖如图()和图()所示 对图()中裂纹源处的腐蚀坑和裂纹的中间部位进行能谱分析结果如图 所示 发现在裂纹起源的腐蚀坑内含有 等腐蚀性元素和、盐类富集如图()和图()所示裂纹 附近为含、等元素的灰、黑色腐蚀产物如图()和图()所示图 裂纹源腐蚀坑和裂纹 附近能谱分析结果 分析与讨论从以上分析可知叶片材料的化学成分、强度、塑韧性等指标符合标准要求但是叶片出汽侧边缘存在宽约 的硬化区域硬度值在 以上已远超过标准要求上限查阅出厂资料叶片供货热处理状态为淬火 回火应得到均匀的回火马氏体组织但是实际热处理过程中工艺控制不当导致出汽侧边缘较薄的部分冷却较快形成了更细小的马氏体组织获得不均匀组织的同时产生硬化区 组织的不均匀性会降低材料的耐腐蚀性能所以在该位置更易形成点蚀坑 通常状态下 不锈钢具有良好的耐蚀性在高温服役时表面会形成一层致密稳定的氧化膜但是当蒸汽中带有、等腐蚀离子时叶片表面的保护膜会受到侵蚀并且很快向纵深方向发展使叶片产生点蚀坑点蚀坑内易产生应力集中受力后易萌生微裂纹腐蚀介质的存在也会弱化晶界结合力导致裂纹沿晶界扩展 从裂纹源区蚀坑和裂纹附近能谱的分析结果可知存在、等腐蚀性元素可见机组运行时汽水品质不佳 从断口观察结果可知裂纹确实在出汽侧边缘的点蚀坑处萌生而后呈沿晶和穿晶混合形式沿叶身横向、斜向扩展在裂纹扩展区未见明显的疲劳汽 轮 机 技 术 第 卷贝纹线叶片的失效模式为应力腐蚀开裂研究表明材料发生应力腐蚀开裂的基本条件除弱的腐蚀介质外还需要有拉应力 转子在高速转动时叶片的离心力产生沿叶身方向的拉应力这是拉应力的主要来源 而叶片出汽侧边缘硬度和组织不均匀使该位置存在着较大残余应力 残余应力在应力腐蚀中也起着重要作用 因此在叶片离心力带来的拉应力和残余应力的共同作用下在应力集中的腐蚀点坑处萌生裂纹后发生应力腐蚀开裂 结 论叶片的失效模式为应力腐蚀开裂()由于叶片热处理工艺控制不当导致在出汽侧边缘形成宽约 的硬化层和不均匀马氏体组织材料耐蚀性下降()机组运行时汽水品质不佳存在、等腐蚀元素叶片叶身和出汽侧边缘形成腐蚀点坑()在叶片离心力产生的拉应力和叶片组织不均匀带来的残余应力的共同作用下在应力集中的出汽侧边缘点坑处萌生微裂纹并发生应力腐蚀开裂参 考 文 献 宋文希谷伟伟张永海等.某 汽轮机低压第 级动叶片断裂原因分析.汽轮机技术():.黎 华卢忠铭刘课秀等.火电厂汽轮机叶片开裂原因分析.理化检验 物理分册():.周正强郑宏晔胡洁梓等.机组低压末级叶片裂纹原因分析.汽轮机技术():.杨 毅.汽轮机叶片失效分析及预防.腐蚀与防护():.秦承鹏李 梁.超临界机组低压转子叶片开裂分析.腐蚀与防护():.金俊先.火电机组深度调峰经济性及末级叶片安全性研究.沈阳:沈阳工程学院.金 喆.大型汽轮机末级叶片枞树型叶根变工况有限元分析.北京:华北电力大学.葛 挺.深度调峰对汽轮机设备影响的分析及建议.河南电力():.李益民杨百勋史志刚等.汽轮机转子事故案例及原因分析.汽轮机技术():.():.李继红孟 强支金花等.回火温度对马氏体不锈钢 焊接接头耐腐蚀性能的影响.焊管():.陈光军侯 帅韩松鑫.加工表面质量对耐腐蚀性能影响的研究进展.表面技术():.汤精明姜忠宇.表面完整性对 钢耐腐蚀性的影响.热加工工艺():.刘传森李壮壮陈长风.不锈钢应力腐蚀开裂综述.表面技术():.孙 智任耀剑隋艳伟.失效分析:基础与应用.北京:机械工业出版社.陈恒卢琳.残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响.工程科学学报():.李嘉栋陈超张世贵等.不同应力条件下不锈钢局部腐蚀行为的研究进展.表面技术():.(上接第 页)根据上述结果显示气缸路径应力考核合格对气缸中分面进行气密性(中分面接触压力)考核结果如图 所示图 气缸中分面接触压力由以上考核结果分析气缸中分面接触良好气缸气密性合格综上气缸等效应力考核合格气缸路径应力考核合格气缸气密性考核合格气缸强度合格 结 论()基于热力气动方案设计本文设计的跨临界透平采用成熟的单缸单流设计应用高效的“多级小焓降反动式”通流设计技术、预扭结构形式的叶片机组的整体等熵效率为 轴功率为.满足预期要求()本透平结构设计方面采用单蜗壳进气、阀门直连、端部干气密封等结构通过计算分析密封性能、强度性能等均考核合格()转子为刚性转子且透平额定转速为/一阶临界转速为/二阶临界转速为 /临界转速均避开了工作转速 轴系合格参 考 文 献 郝佳豪越云凯张家俊等.二氧化碳储能技术研究现状与发展前景.储能科学与技术():.何 青郝银萍刘文毅.一种新型跨临界压缩二氧化碳储能系统热力分析与改进.华北电力大学学报(自然科学版)():.钟主海江生科.汽轮机高压缸进汽蜗壳的数值研究.东方汽轮机():.严如奇.超临界二氧化碳干气密封流体动力润滑与密封性能研究.兰州:兰州理工大学.第 期邓 辉:超临界机组低压末三级叶片开裂原因分析