汽輪機葉片斷裂的原因分析

汽輪機葉片斷裂的原因分析

機組工作發(fā)動機是發(fā)動機的主要設(shè)備之一。葉片的設(shè)計、原材料的選擇和加熱對確保發(fā)動機的正常工作非常重要。某發(fā)電廠的汽輪機組僅使用5年,只達(dá)到通常設(shè)計壽命的一半,就發(fā)生因汽輪機工作葉片斷裂而導(dǎo)致停電的重大事故。對斷裂的葉片進行全面失效分析,弄清斷裂的原因和機理,采取必要的防范措施,對杜絕類似事故的發(fā)生有重大意義。1現(xiàn)場研究和數(shù)據(jù)收集1.1斷裂葉片的微觀形貌圖1為現(xiàn)場收集到的斷裂葉片和碎片。由圖可見,此次斷裂的葉片為末級葉片中的54號葉片,該末級葉片中間加有拉筋,末端懸空,葉片斷裂部位在拉筋孔外,且飛出去的殘片擊傷了與之相鄰的葉片(見圖1圓圈部位)。圖2所示為斷裂葉片殘余部分的形貌,圖上側(cè)光亮小塊為葉片頭部斷裂后飛出去的小碎片,其邊緣發(fā)生了明顯的塑性變形,可見葉片高速旋轉(zhuǎn)時的離心力很大。該汽輪機《運行日志》顯示,葉片斷裂前汽輪機運行、操作無異常。1.2調(diào)整后的油滲下應(yīng)力力學(xué)性能該汽輪機葉片選用1Cr12Ni2Mo1VN鋼,經(jīng)1000~1020℃加熱油淬,660~710℃回火,得到回火索氏體組織。其力學(xué)性能如表1所示?？梢?該鋼在調(diào)質(zhì)制狀態(tài)下具有良好的塑性及強韌性。同時該鋼還具有良好的消震性、抗蝕性、導(dǎo)熱性及熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點,是制備汽輪機葉片最合適的材料。2葉片化學(xué)成分采用ARL3460型光譜儀分析了該汽輪機斷裂葉片的化學(xué)成分,結(jié)果示于表2。由表可見,葉片材料的化學(xué)成分與生產(chǎn)廠家提供的汽輪機葉片用材1Cr12Ni2Mo1VN馬氏體型熱強鋼化學(xué)成分相符。3斷口分析3.1斷裂源觀察與分析斷裂葉片斷口的形貌如圖3所示。A區(qū)斷口較平整,呈細(xì)瓷狀,斷面與葉片主軸方向基本垂直,這是離心拉應(yīng)力超過正斷抗力時發(fā)生的脆性正斷斷裂。C區(qū)斷口與葉片主軸方向約成45°角,斷口表面比較粗糙,表明該斷面是在巨大的切應(yīng)力作用下發(fā)生的切向斷裂。B區(qū)斷口較復(fù)雜,其主要外觀是有一與葉片工作面約成45°斜臥在斷面上的臺階,它是正斷與切斷2種應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時留下的特征。脆性正斷的斷面先于切向斷裂的斷面而發(fā)生斷裂,故可以判斷斷裂源在A區(qū)斷口。為此,對A區(qū)斷口作進一步宏觀掃描電鏡分析,其結(jié)果示于圖4、圖5。由圖可見,葉片進氣側(cè)前緣頂端有一月牙形疤痕,其尺寸達(dá)200μm×500μm,疤痕外表覆蓋有一小金屬片,查看汽輪機葉片設(shè)計圖紙表明,此小金屬片不是葉片應(yīng)有的。由月牙形疤痕向內(nèi)觀察,發(fā)現(xiàn)有弧形貝紋花樣,且愈向內(nèi)愈明顯;貝紋圓弧向內(nèi)是稍呈扇形的放射狀花樣區(qū),該放射區(qū)發(fā)展直至轉(zhuǎn)換應(yīng)力狀態(tài)的斜臥臺階。由此可以斷定月牙形疤痕是該葉片斷裂的裂紋源,其后的圓弧貝紋花樣是葉片斷裂的疲勞擴展區(qū)。圖5中黑線顯示截面金相的取樣位置。3.2斷裂斷裂體系分析裂紋源區(qū)掃描電鏡分析結(jié)果示于圖6a。由圖可見,該源區(qū)晶粒粗大,晶界呈現(xiàn)開裂,沿晶分布著粗大的圓球形氧化物、析出物。此外,還有呈Y形的二次裂紋和成堆大塊剝落物,這是過熱過燒組織的特征,它導(dǎo)致斷裂裂紋源的形成。放射花樣區(qū)掃描電鏡分析結(jié)果示于圖6b。該圖由解理花樣、二次裂紋等表征脆性斷裂特征的花樣組成。切向斷裂斷面掃描電鏡分析結(jié)果示于圖6c。由圖可見,此圖與圖6a、6b所示的形貌特征截然不同,是切向斷裂特有的撕裂(拉長)韌窩花樣,并與切向斷裂擴展方向一致。4金相組織觀察為了檢測和判斷該葉片用鋼的冶金質(zhì)量和熱處理規(guī)范,特別是要找出斷裂源區(qū)與其表面覆蓋小金屬片之間的關(guān)系,對葉片的特征區(qū)域進行了全面的金相組織觀察。4.1金相組織分析取葉片斷口附近縱剖面,在磨光、拋光狀態(tài)下未發(fā)現(xiàn)異常非金屬夾雜物,表明鋼的冶金質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后進行金相組織分析,結(jié)果示于圖7。由圖可見,葉片金相組織為保留馬氏體位向的回火索氏體,基本屬于1Cr12Ni2Mo1VN鋼正常淬火加高溫回火組織,只是組織稍顯粗大,但基本符合熱處理標(biāo)準(zhǔn)要求。4.2顯微組織及能譜分析將裂紋源區(qū)及其表面小金屬片沿圖5所示黑線縱向剖開,其截面金相照片示于圖8。圖8a為裂紋源區(qū)金相組織,圖8b為小金屬片的金相組織,兩者組織特征明顯不同,且小金屬片與基體分離。圖8a下側(cè)邊緣即源區(qū)不僅晶粒粗大,且呈現(xiàn)明顯的剝落特征,進一步證實疤痕處發(fā)生了嚴(yán)重過熱、過燒。同時,顯微硬度測試顯示兩者硬度差異較大,離小金屬片較近處葉片硬度為461HV0.1,而小金屬片的硬度為293HV0.1。圖9是圖8中小金屬片的放大圖,顯示液態(tài)金屬凝固后鑄態(tài)組織特征。為了進一步弄清小金屬片的性質(zhì)及來源,對其進行能譜分析,結(jié)果示于圖10?？梢娦〗饘倨饕煞譃镕e、Cr、Mn,其中Cr41.33%,Mn7.46%,表明小金屬片與葉片材料完全不同,是外來的。5分析與討論的結(jié)果5.1加固環(huán)形拉筋綜上所述,該斷裂葉片選材合適,熱處理及金相組織基本正常,故在正常運行時不應(yīng)發(fā)生葉片斷裂事故。分析證明,是外來金屬溶液及其凝固導(dǎo)致葉片前緣局部過燒過熱,形成疤痕缺陷。調(diào)研證實,該末級葉片系列組裝至汽輪機主軸后,為了減小或基本消除運行時離心力對葉片根部螺紋的拉拔作用而加固一道環(huán)形拉筋(見圖1),該環(huán)形拉筋分2段或3段,對稱穿過葉片拉筋孔,拉緊后用電弧焊(也有用氬弧焊)連接成環(huán)形。而成分為Fe-41.33%Cr-7.46%Mn的小金屬片與焊接拉筋的焊條合金成分非常接近,因此可以斷定,在此次為末級葉片焊接拉筋時,操作者不慎將焊條與葉片進汽側(cè)內(nèi)弧頂端接觸,瞬時形成電弧,操作者立即拉開,但點燃的焊條已燒壞了葉片前緣頂端局部表面,并留下少量焊條金屬液。高溫(高于1500~1600℃)金屬液在凝固過程中高溫加熱葉片業(yè)已形成的缺陷及其附近的金屬體,形成過燒、過熱金相組織。這是操作不慎造成的。5.2微觀斷口觀察由表2中數(shù)據(jù)可知,葉片用鋼具有良好的塑性及強韌性,標(biāo)準(zhǔn)拉伸斷口呈杯錐狀,微觀形貌中部為等軸韌窩,周緣為剪切韌窩。由圖3可見,同樣承受拉應(yīng)力的葉片斷口卻有很大不同,有一半以上是脆性正斷斷口,另一半為呈一定夾角的一大一小2個切向斷面,小者是由正斷斷口轉(zhuǎn)向45°,形似三角形;大者則是從葉片工作面開始沿與葉片主軸成45°方向擴展、斷裂,形似長四邊形。葉片微觀斷口與標(biāo)準(zhǔn)拉伸斷口差異更大,除剪切斷口呈拉長韌窩外,其余部位存在大量解理花樣。相同材料在基本相同的拉伸條件下兩者斷口形貌差異如此之大,而且葉片工作處于500~600℃高溫,標(biāo)準(zhǔn)拉伸是在室溫下進行,前者更有利于塑性變形和韌性斷裂,但結(jié)果正相反。5.2.1,最大切應(yīng)力工件上任何一點處受力情況總可以分解為切應(yīng)力和正應(yīng)力2部分,加載方式不同,對應(yīng)的最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力大小方向不同,假定某點3個主應(yīng)力分別為σ1、σ2、σ3,則按第二強度理論,其相當(dāng)最大正應(yīng)力σmax=σ1-μ(σ2+σ3),并與σ1同方向。按第三強度理論,最大切應(yīng)力τmax=(σ1-σ3)/2,與σ1、σ3成45°方向。α=τmax/σmax=(σ1-σ3)/{2[σ1-μ(σ2+σ3)]}式中α——應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)μ——泊松比,一般取0.25切應(yīng)力導(dǎo)致塑性變形和韌性切斷,正應(yīng)力則導(dǎo)致彈性變形和脆性正斷,所以α值愈小則應(yīng)力狀態(tài)愈硬,愈易造成脆性斷裂。5.2.2向不等拉應(yīng)力下的相切應(yīng)力以最大切應(yīng)力為縱坐標(biāo),最大相當(dāng)正應(yīng)力為橫坐標(biāo),并標(biāo)上某材料某組織狀態(tài)下的τs(切屈服力)、τk(切斷抗力),σk(正斷抗力),即可作成該材料的力學(xué)狀態(tài)圖。通過查閱有關(guān)資料,獲得1Cr12Ni2Mo1VN鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的力學(xué)性能指標(biāo)τs、τk、σk或σb為360MPa、460MPa和980MPa。根據(jù)這組數(shù)據(jù),作出1Cr12Ni2Mo1VN鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的力學(xué)狀態(tài)圖示于圖11。同時在該圖上示出各種力學(xué)行為區(qū)域。研究表明,體心結(jié)構(gòu)鋼的τs、τk、σk這3個指標(biāo)中,τs受外因影響最為敏感。τs隨加載速度的增大而迅速升高,當(dāng)極高速加載時,τs值會迅速接近τk值。應(yīng)力狀態(tài)也會改變τs的大小,切向分量越大則越有利于塑性變形,因此τs越低,在三向不等拉伸條件下τs最高可接近τk,但外因?qū)Ζ觡、σk影響不大。由圖3中A區(qū)照片可見,裂紋源位于葉片進汽側(cè)內(nèi)弧頂端,在軸向不對稱交變拉應(yīng)力作用下,裂紋橫向疲勞擴展,此時疲勞裂紋擴展的速度非常緩慢,占了葉片工作壽命的絕大部分。當(dāng)疲勞裂紋擴展到一定深度時,在其前沿形成很大的軸向(離心力方向)應(yīng)力集中和相應(yīng)的應(yīng)變集中。由于此處葉片尺寸較厚,形狀復(fù)雜,在弧形裂紋周圍,尤其兩側(cè)存在著較寬厚的未斷金屬體(見圖4),它嚴(yán)重地制約裂紋前沿發(fā)生塑性應(yīng)變而松弛集中應(yīng)力的可能性,因此相應(yīng)形成與弧形疲勞裂紋前沿相切的橫向應(yīng)力,以及與弧形裂紋徑向方向一致的徑向應(yīng)力。這種三向不等拉應(yīng)力的“平面應(yīng)變”應(yīng)力狀態(tài),它的軟性系數(shù)α值為0.1。由圖11可見,與離心拉應(yīng)力同步增大的裂紋前沿的三向不等拉應(yīng)力,當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到σk時,則形成微裂紋,隨著微裂紋的大量形成及擴展,殘余未斷斷面相應(yīng)減小,離心拉應(yīng)力增大,但由于新的裂紋前沿周邊及兩側(cè)依舊存在大塊未斷金屬體,三向不等拉應(yīng)力狀態(tài)(即“平面應(yīng)變”狀態(tài))不變,同樣在前沿達(dá)到σk處形成新的系列微裂紋,微裂紋向葉片深度、廣度擴展,且速度越來越快,裂紋兩側(cè)未斷金屬體愈來愈小,直至葉片厚度尺寸較小,且形狀平直的排氣側(cè),兩邊未斷金屬體消失,橫向應(yīng)力松弛,裂紋前沿變?yōu)椤捌矫鎽?yīng)力”的二向應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)回歸原來的0.5。與離心拉應(yīng)力成45°方向切應(yīng)力迅速增大,有利于發(fā)生塑性切變,但由于此時葉片已斷部分超過大半,而所受離心拉力基本不變,所以離心拉應(yīng)力發(fā)展非常快,極高的加荷速度導(dǎo)致τs迅速升高,直至接近τk值,所以裂紋幾乎同時沿著兩個甚至更多切向方向快速擴展瞬完成斷裂,從而在2~3個與軸向成45°方向的斷面上留下切斷特有的微觀撕裂韌窩。上述分析說明,在葉片進汽側(cè)頂端存在缺陷,通過最初的疲勞擴展,造成裂紋前沿應(yīng)力集中、應(yīng)變集中、三向應(yīng)力,應(yīng)力狀態(tài)嚴(yán)重“硬化”、脆化導(dǎo)致葉片最終斷裂,因此在葉片進汽側(cè)頂端存在缺陷是非常危險的,且此處在各種工序中又最容易受到傷害,所以應(yīng)對此處加強檢查以杜絕類似事故的發(fā)生。6葉片斷裂破碎,為焊接拉金所需(1)斷裂葉片用材合適,熱處理符合要求,汽