某電廠低壓轉(zhuǎn)子末二級(jí)葉片開(kāi)裂原因分析

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(潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，鄭州 450052)

1 問(wèn)題概述

某電廠#2機(jī)組為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的125 MW汽輪機(jī)，型號(hào)為N125-13.24/535/535，于1999年安裝投產(chǎn)，至2017年5月累計(jì)運(yùn)行近18年。2017年5月19日#2機(jī)組A級(jí)檢修中，發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子左旋第5級(jí)及右旋第5級(jí)(即末二級(jí))共27片葉片存在裂紋，葉片材質(zhì)為2Cr13。

2 檢查情況

2.1 宏觀檢查

2017年7月26日收到電廠送來(lái)的3根葉片，長(zhǎng)約560 mm、寬約78 mm，分別對(duì)葉片編號(hào)右1、左1和左2。宏觀檢查葉片無(wú)明顯腐蝕，靠近根部有較多黑色腐蝕產(chǎn)物，如圖1中箭頭所示。葉片右1、左1存在多條裂紋，多數(shù)位于葉片長(zhǎng)度方向中部、寬度方向的出汽側(cè)，裂紋長(zhǎng)度3～15 mm不等，整體較為平直，宏觀形貌如圖2所示。

圖1 葉片宏觀照片F(xiàn)ig.1 Macro photo of the blade

圖2 右1葉片裂紋形貌Fig.2 Crack morphology of the first blade on the right

2.2 成分分析

使用臺(tái)式直讀光譜儀(型號(hào)FOUNDRY-MASTER PRO)對(duì)葉片進(jìn)行成分復(fù)核，其化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732—2014《汽輪機(jī)葉片用鋼》對(duì)2Cr13材料要求[1]，具體見(jiàn)表1。

2.3 機(jī)械性能檢測(cè)

3根葉片分別取室溫拉伸和沖擊試樣，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，室溫力學(xué)性能及沖擊吸收功均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732——2014《汽輪機(jī)葉片用鋼》要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Chemical composition analysis results %

表2 室溫力學(xué)性能及沖擊吸收功Tab.2 Mechanical properties at room temperature and impact absorption work

表3 葉片顯微硬度檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Results of microhardness test of leaves

使用顯微硬度計(jì)(型號(hào)HV-1000)對(duì)葉片橫截面進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)部位示意如圖3尖頭所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中要求材料為2Cr13動(dòng)葉片硬度范圍212～277 HB[2]。從表3檢測(cè)結(jié)果可知，開(kāi)裂的右1葉片、左1葉片出汽側(cè)局部硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)上限，距出汽側(cè)5 mm范圍內(nèi)，右1、左1葉片硬度最高已達(dá)410，415 HB，而無(wú)裂紋的左2葉片硬度均勻且符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 顯微硬度檢測(cè)位置示意Fig.3 Schematic location of the microhardness test

2.4 金相檢測(cè)

對(duì)所取葉片試樣出汽側(cè)凸面進(jìn)行金相檢測(cè)，可明顯看出右1和左1葉片出汽側(cè)邊緣硬度較高區(qū)域均與內(nèi)部存在明顯差異，如圖4橢圓內(nèi)所示，裂紋起始于出汽側(cè)邊緣硬度較高區(qū)域，并向內(nèi)擴(kuò)展至硬度正常區(qū)域。

續(xù)表

圖4 侵蝕后宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology after erosion

存在裂紋的右1葉片高硬度區(qū)主裂紋有較多二次及三次分支裂紋，主裂紋尖端細(xì)長(zhǎng)，穿晶擴(kuò)展，如圖5～7所示。中部組織為有明顯板條特征的回火索氏體，而出汽側(cè)1～3 mm處組織無(wú)明顯板條特征，有較多黑色析出物，如圖8～10所示。

圖5 右1葉片出汽側(cè)1～3 mm處拋光態(tài)(200×)Fig.5 Polished condition at 1～3 mm from the steam outlet of the fist blade on the right(200×)

圖6 右1葉片出汽側(cè)裂紋尖端(200×)Fig.6 Crack tip atsteam outlet of the fist blade on the right(200×)

圖7 右1葉片出汽側(cè)1～3 mm處腐蝕態(tài)(200×)Fig.7 Eroded condition at 1～3 mm from the steam outlet of the fist blade on the right(200×)

圖8 右1葉片出汽側(cè)1～3 mm處(500×)Fig.8 1～3 mm from the steam outlet of the fist blade on the right(500×)

無(wú)裂紋的左2葉片出汽側(cè)1～3 mm處與中部的宏觀及顯微組織無(wú)明顯差異，均為有板條特征的回火索氏體組織，如圖11、圖12所示。

圖11 左2葉片出汽側(cè)1 mm處(500×)Fig.11 1 mm from the steam outlet of the second blade on the left (500×)

圖12 左2葉片中部(500×)Fig.12 Middle part of first blade on the left (500×)

3 開(kāi)裂原因分析

(1)3根葉片材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除用錯(cuò)材質(zhì)因素。

(2)右1及左1葉片裂紋位于較薄的出汽側(cè)邊緣，所檢測(cè)力學(xué)性能及沖擊功試樣取自葉片進(jìn)汽側(cè)及中部，雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但無(wú)法代表開(kāi)裂區(qū)性能。

(3)從顯微硬度的檢測(cè)結(jié)果可看出，存在裂紋葉片的出汽側(cè)邊緣硬度和其他部位有較大差異，右1、左1裂紋區(qū)硬度最高達(dá)410，415 HB，其他區(qū)域硬度基本在220～250 HB之間，而無(wú)裂紋的左2葉片各處硬度均勻且符合標(biāo)準(zhǔn)要求。據(jù)該電廠技術(shù)人員介紹，本級(jí)葉片進(jìn)汽側(cè)是經(jīng)過(guò)高頻淬火處理的，而出汽側(cè)表面未做任何硬化處理，運(yùn)行以來(lái)葉片也未做其他調(diào)整，在該級(jí)葉片在正常工作狀態(tài)下，不應(yīng)出現(xiàn)局部硬度異常升高的情況。

從金相檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，3根葉片硬度正常區(qū)域組織均為有板條特征的回火索氏體，而右1和左1葉片出汽側(cè)邊緣的高硬度區(qū)域宏觀及顯微組織均與內(nèi)部都有明顯差異，組織無(wú)明顯板條特征，且有較多黑色析出物，不排除此區(qū)域存在隱針或隱晶馬氏體。

相關(guān)文獻(xiàn)表明[3-5]，2Cr13材料葉片高溫淬火后，表面0.5～2.5 mm范圍內(nèi)硬度通常為40～48 HRC(對(duì)應(yīng)布氏硬度370～460 HB)，組織為細(xì)小的回火馬氏體。這與本文硬度偏高區(qū)域的硬度值及組織形態(tài)接近。

4 結(jié)論

綜合各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為造成#2機(jī)組低壓第5級(jí)葉片開(kāi)裂的原因?yàn)椋喝~片出汽側(cè)局部組織異常、硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致局部抗疲勞性能較差，在運(yùn)行過(guò)程中從高硬度區(qū)萌生裂紋并不斷擴(kuò)展。