葉片葉輪類失效分析實(shí)例

1、葉片、葉輪類失效分析實(shí)例葉片按其工作性質(zhì)可分為動(dòng)葉片及靜葉片兩種類型。動(dòng)葉片又稱為工作葉片， 主要起傳遞動(dòng)力的作用； 靜葉片又稱為導(dǎo)向葉片， 主要起導(dǎo)向流體的作用。葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主要受拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力的作用；除此之外，葉片還受到激振的作用，其振動(dòng)頻率對葉片的壽命有較大的影響。葉片的失效形式， 主要是疲勞失效； 但也可能出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂、 塑性變形等失效形式。在疲勞失效中， 尤其是動(dòng)葉片疲勞失效， 往往是振動(dòng)起很大作用； 應(yīng)當(dāng)指出，微振失效也是葉片失效的重要形式之一。按葉片的斷裂或損傷的部位劃分失效類型，可分為三種類型：(1)葉身斷裂失效；(2)葉根斷裂失效；(3)葉冠或葉頂失效。本部分除

2、了介紹葉片失效分析實(shí)例之外，還介紹了葉輪、風(fēng)輪、螺旋槳等失效的實(shí)例，供讀者參考。汽輪機(jī)葉片斷裂失效分析1燃?xì)廨啓C(jī)的靜葉片斷裂失效燃?xì)廨啓C(jī)的靜葉片材質(zhì)為1Crl3 鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用。裝機(jī)運(yùn)行不久就發(fā)現(xiàn)靜葉片斷裂失效。拆機(jī)檢查，用肉眼或放大鏡觀察，發(fā)現(xiàn)靜葉片的斷口形貌較平滑，具有疲勞斷裂的宏觀形貌特征； 另外還觀察到靜葉片的自由端損傷較嚴(yán)重。在正常情況下自由端是不接觸任何物體的， 但由于裝配間隙較小， 在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能碰觸側(cè)壁而損傷。 靜葉片斷口的宏觀外貌如圖 1 所示。箭頭指示處為裂源。 用電子顯微鏡觀察， 進(jìn)一步證實(shí)裂源的微觀形貌特征為準(zhǔn)解理斷裂，裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌特征為疲勞輝紋標(biāo)記，如圖

3、2 所示。與振動(dòng)疲勞斷口相比較，靜葉片斷口的疲勞輝紋形態(tài)與其極為相似，因此可認(rèn)為靜葉片是由于裝配不當(dāng)引起的振動(dòng)疲勞斷裂。1圖象說明 ：燃?xì)廨啓C(jī)靜葉片斷口宏觀外貌，箭頭指示處為裂源。圖1OPI圖象說明 ：燃?xì)廨啓C(jī)靜葉片電子斷口形貌，具有準(zhǔn)解理斷裂及疲勞斷裂形貌特征；箭頭指示處為準(zhǔn)解理花樣。圖 2TEM 5000 ×2.30 萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)葉片失效失效葉片為大型汽輪機(jī)組上的動(dòng)葉片，安裝于某廠30 萬千瓦發(fā)電機(jī)上，材料為2Crl3鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，使用數(shù)年后在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)有裂紋。失效葉片外觀形貌如圖3 所示，將其放大后裂紋外觀形貌如圖4 所示。把失效葉片裂紋打開， 其斷口宏觀形貌如圖5 所示。

4、從葉片斷口的宏觀、微觀形貌特征，說明葉片具有腐蝕疲勞斷裂特征。 葉片工作時(shí)蒸汽的沖力使排氣側(cè)處于較高的拉應(yīng)力狀態(tài)，高溫蒸汽提供了腐蝕性的環(huán)境，使葉片形成腐蝕疲勞裂紋。這種情況在汽輪機(jī)動(dòng)葉片上曾多次出現(xiàn)。2圖象說明 ：失效葉片宏觀外貌，可觀察到有一裂紋，根據(jù)裂紋的外形可知裂源起始于葉片的排氣側(cè)，向進(jìn)氣側(cè)擴(kuò)展。圖3OPI圖象說明 ：葉片裂紋外形的放大象，其裂紋平直且與葉片縱向相垂直。圖4OPI圖象說明 ：打開裂紋后葉片的斷口宏觀形貌，斷口表面有一層棕褐色的腐蝕物覆蓋，近源區(qū)斷面呈細(xì)顆粒狀，裂紋擴(kuò)展區(qū)能觀察到疲勞斷口的貝殼紋特征。 貝紋線的凸弧面指向葉片進(jìn)氣側(cè)， 這表明疲勞裂紋是由排氣側(cè)向進(jìn)氣側(cè)擴(kuò)展

5、。圖5OPI3汽輪機(jī) (129) 機(jī)組第 10 級動(dòng)葉片斷裂失效汽輪機(jī) (129) 機(jī)組第 10 級動(dòng)葉片材料為2Crl3 鋼。2Crl3 鋼材料的熱處理工藝為：1000 保溫 30 分鐘，油淬， 700回火，保溫180 分鐘，空冷。汽輪機(jī)(129)機(jī)組在運(yùn)行過程中，3經(jīng)常發(fā)生第10 級動(dòng)葉片斷裂失效。汽輪機(jī) (129) 機(jī)組第 10 級動(dòng)葉片斷口形貌如圖6 所示。葉片宏觀斷口形貌特征可分為四個(gè)區(qū)域： A 區(qū)為裂源區(qū)； B 區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)；C 區(qū)為瞬時(shí)斷裂區(qū)；D 區(qū)為剪切唇區(qū)。A 區(qū)靠近葉片的排氣側(cè)。斷口表面較粗糙，有一些腐蝕銹斑。B 區(qū)斷口表面較平坦， 具有明顯的疲勞前沿線或貝殼狀條紋等宏觀

6、形貌特征。從疲勞前沿線擴(kuò)展的趨勢可知，疲勞裂紋是由A 區(qū)向 B 區(qū)擴(kuò)展的。C 區(qū)接近進(jìn)氣側(cè)，斷口表面凹凸不平，具有快速撕裂的形貌特征，裂紋是由D 區(qū)向 C區(qū)快速擴(kuò)展的。D 區(qū)即剪切唇區(qū)，斷口表面呈現(xiàn)鵝毛狀，且具有金屬光澤，有一定的傾斜角度，是裂紋的最終斷裂區(qū)。汽輪機(jī)（ 129）機(jī)組第 10 級動(dòng)葉片斷裂為腐蝕疲勞開裂。圖6OPI圖象說明：汽輪機(jī)（ 129）機(jī)組第 10 級動(dòng)葉片斷口宏觀形貌， 按其特征可將葉片斷口劃分為 A、B 、C、 D 四個(gè)區(qū)域，即裂源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬時(shí)斷裂區(qū)及剪切唇區(qū)。壓縮機(jī)葉片失效分析1空氣壓縮機(jī)葉片失效失效的空壓機(jī)是國外引進(jìn)的化工設(shè)備?，F(xiàn)場調(diào)查看到空壓機(jī)的軸流段

7、所有調(diào)節(jié)葉片和導(dǎo)流葉片都產(chǎn)生不同程度的損壞，破壞尤為嚴(yán)重的是前1 2 級，往后逐級減輕。從軸流段整個(gè)葉片破壞情況分析，可能是由于1、 2 級中的幾個(gè)葉片先斷裂，然后引起其它葉片失效，4后來還發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)離心段第一級葉輪導(dǎo)流葉片有一片斷裂。從軸流段一級調(diào)節(jié)葉片中取樣，其斷口宏觀形貌如圖7 所示。圖中白箭頭所指是先開裂部位，稱老斷口， 黑箭頭指的是人為機(jī)械打開部位，稱新斷口，離心段導(dǎo)流葉片斷口宏觀形貌如圖8 所示。綜上所述，空壓機(jī)葉片產(chǎn)生斷裂原因主要是由于熱處理工藝不嚴(yán)格，熱處理溫度偏高，使組織粗大，疲勞強(qiáng)度降低；其次，設(shè)計(jì)不合理，沒有防喘振裝置，并且在安裝時(shí)未做數(shù)次喘振試驗(yàn)，而在工作過程中又經(jīng)常產(chǎn)

8、生喘振現(xiàn)象，最后由于振動(dòng)導(dǎo)致了疲勞斷裂。圖象說明 ：軸流段調(diào)節(jié)葉片宏觀斷口，老斷口（白箭頭）呈鐵灰色，上面有腐蝕層；新斷口（黑箭頭）呈灰色，有金屬光澤。圖7OPI圖象說明 ：離心段導(dǎo)流葉片，斷口表面光滑，呈灰色，有海灘狀條紋出現(xiàn)。圖8OPI53船用增壓器葉片斷裂失效船用 GZ750 型葉片，材質(zhì)為17/13W 合金鋼，葉片的額定轉(zhuǎn)速為1600 轉(zhuǎn)分，最高轉(zhuǎn)速為 8500 轉(zhuǎn)分，常用轉(zhuǎn)速為2000、7600 轉(zhuǎn)分。 葉片已經(jīng)運(yùn)行了500 小時(shí)，工作溫度為350。葉片斷裂的部位是葉根第一榫齒齒槽處。GZ750 型增壓器葉片實(shí)物外貌如圖9 所示。葉片斷口宏觀形貌特征如圖10 所示。斷口表面是經(jīng)過清洗

9、后的形貌，原斷口表面是黑色的，這說明葉片的斷裂與外界環(huán)境有聯(lián)系。在圖 10 中用肉眼很容易看出疲勞貝殼條紋特征，其面積占全斷面的2 3 左右，因此可以說此斷口是疲勞斷口。另外， 還可以看出裂紋是由排氣側(cè)葉根第一榫齒齒槽處向內(nèi)擴(kuò)展。裂源位于排氣側(cè)葉根第一榫齒齒槽的尖角處附近如圖11 所示，箭頭指示處為二次裂紋，這表明尖角附近存在著較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過上述分析可知，船用GZ750 型增壓器葉片斷口為典型的疲勞斷口，穿晶型斷裂，疲勞源位于葉片排氣側(cè)的葉根第一榫齒槽的尖角處。其斷裂原因是由于下列缺陷所致：(1) 葉根尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)改進(jìn)葉根形狀使之不產(chǎn)生尖角，消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。(2)

10、17/13W 材料中的氮化物夾雜比較多，尤其是夾雜物聚集現(xiàn)象應(yīng)消除?？傊?，由于尖角處本身易產(chǎn)生應(yīng)力集中，再加上夾雜物聚集，因而使尖角處成為薄弱環(huán)節(jié)，疲勞裂源易于在此萌生。圖象說明 ：船用 GZ750 型增壓器葉片宏觀外貌，裂紋在葉根的排氣側(cè)第一榫齒齒槽處，如箭頭所指。圖9OPI6圖象說明：船用 GZ750 型增壓器葉片斷口宏觀外貌，具有明顯的疲勞貝殼狀條紋。從疲勞貝殼狀態(tài)條紋的發(fā)展趨勢可知，疲勞裂源在尖角處。圖11 OMI 10×圖 10 OPI圖象說明 ：裂源區(qū)的放大圖象，具有細(xì)小的放射條紋，匯聚處在尖角附近，即裂源的位置。另外，在裂源區(qū)還觀察到二次裂紋，如箭頭指示。葉輪失效分析1

11、柴油機(jī)增壓器壓氣機(jī)葉輪斷裂失效增壓器壓氣機(jī)葉輪材料為ZL110 鉛合金，精密鑄造成型，其熱處理工藝為：525± 10保溫 6 小時(shí)，水淬，180± 10人工時(shí)效8 小時(shí)。在柴油機(jī)增壓器的壓氣機(jī)上使用時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速為 n=43000 轉(zhuǎn)/分，經(jīng)過4 小時(shí)實(shí)際運(yùn)行后發(fā)生斷裂失效，葉輪斷口宏觀形貌持征如圖12、 13 所示，由宏觀斷口可看出，裂源靠近齒根部分，并有擦傷條紋。7圖象說明：葉輪與葉片斷裂，兩個(gè)葉片發(fā)生變形，葉輪其它部位均完好無損。圖 12 OPI圖象說明 ：斷口表面有明顯的機(jī)械擦傷條紋；裂源靠近葉片根部分，斷口表面較平整，靠近葉片尾部有快速撕裂形貌特征。圖 13 OPI

12、25100 型柴油機(jī)導(dǎo)風(fēng)輪失效失效導(dǎo)風(fēng)輪材料為LD 鋁合金，經(jīng)淬火及時(shí)效處理，工作時(shí)最高轉(zhuǎn)速15600 轉(zhuǎn) /分，通常情況下工作轉(zhuǎn)速為1000012000 轉(zhuǎn) /分，使用約 50 小時(shí)后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)輪的其中一葉片上產(chǎn)生裂紋。 其外觀形貌如圖14 所示。 宏觀觀察斷口，可看到貝殼狀條紋如圖15 所示。采用塑料-碳二級復(fù)型方法制樣，在透射電鏡下進(jìn)行觀察，可清楚看到有疲勞輝紋和腐蝕產(chǎn)物如圖16所示。8圖 14 OPI圖象說明：割下有裂紋的葉片，然后沿裂紋處打開后的宏觀斷口形貌。在斷口上測出裂紋長24mm 左右，斷口上能觀察到貝殼紋特征，斷口靠裂紋源部分有一層淺灰色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，裂源起始于葉根，裂紋由進(jìn)氣

13、側(cè)向背弧側(cè)擴(kuò)展。圖 16 OPI圖象說明 ：失效導(dǎo)風(fēng)輪葉片的宏觀形貌，其中一葉片已產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生的位置如圖中箭頭所示（此裂紋已被切割用于分析）。圖 15 OPI圖象說明 ：斷口 TEM 圖象，具有疲勞輝紋特征，并能觀察到河流條紋與疲勞輝紋相垂直的形象。93船用螺旋槳斷裂失效斷裂螺旋槳是1000 噸位的軍用艦艇上使用的螺旋槳，用鋁黃銅砂模鑄造成型，未經(jīng)去應(yīng)力退火， 下水僅一年， 實(shí)際運(yùn)行時(shí)間約635 小時(shí)，發(fā)生槳葉斷裂事故，其中一片槳葉斷裂后掉人海中未找到。斷裂槳葉的外觀形貌如圖17 所示。在一未斷的槳葉上發(fā)現(xiàn)有一條裂紋如圖 18 所示。沿裂紋用機(jī)械方法壓丑其斷口宏觀形貌如圖19 所示。上述斷口及金相分析結(jié)果，說明螺旋槳斷裂具有氯離子氣氛中應(yīng)力腐蝕開裂的特征，而螺旋槳制造時(shí)未經(jīng)退火，使殘余應(yīng)力較高，槳葉距中心1 1 處的工作應(yīng)力最高，為該處產(chǎn)53生應(yīng)力腐蝕開裂提供了足夠的應(yīng)力條件。采用模擬應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該材料在海水中易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，離子探針對斷口表面黑色腐蝕層分析結(jié)果也發(fā)現(xiàn)有較高的氯元素，可見螺旋槳的失效屬在海水介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕失效。圖象說明 ：斷裂事故發(fā)生后的