汽轮机叶片断裂的原因分析

汽轮机叶片断裂的原因分析

机组工作发动机是发动机的主要设备之一。叶片的设计、原材料的选择和加热对确保发动机的正常工作非常重要。某发电厂的汽轮机组仅使用5年,只达到通常设计寿命的一半,就发生因汽轮机工作叶片断裂而导致停电的重大事故。对断裂的叶片进行全面失效分析,弄清断裂的原因和机理,采取必要的防范措施,对杜绝类似事故的发生有重大意义。1现场研究和数据收集1.1断裂叶片的微观形貌图1为现场收集到的断裂叶片和碎片。由图可见,此次断裂的叶片为末级叶片中的54号叶片,该末级叶片中间加有拉筋,末端悬空,叶片断裂部位在拉筋孔外,且飞出去的残片击伤了与之相邻的叶片(见图1圆圈部位)。图2所示为断裂叶片残余部分的形貌,图上侧光亮小块为叶片头部断裂后飞出去的小碎片,其边缘发生了明显的塑性变形,可见叶片高速旋转时的离心力很大。该汽轮机《运行日志》显示,叶片断裂前汽轮机运行、操作无异常。1.2调整后的油渗下应力力学性能该汽轮机叶片选用1Cr12Ni2Mo1VN钢,经1000~1020℃加热油淬,660~710℃回火,得到回火索氏体组织。其力学性能如表1所示。可见,该钢在调质制状态下具有良好的塑性及强韧性。同时该钢还具有良好的消震性、抗蚀性、导热性及热膨胀系数小等优点,是制备汽轮机叶片最合适的材料。2叶片化学成分采用ARL3460型光谱仪分析了该汽轮机断裂叶片的化学成分,结果示于表2。由表可见,叶片材料的化学成分与生产厂家提供的汽轮机叶片用材1Cr12Ni2Mo1VN马氏体型热强钢化学成分相符。3断口分析3.1断裂源观察与分析断裂叶片断口的形貌如图3所示。A区断口较平整,呈细瓷状,断面与叶片主轴方向基本垂直,这是离心拉应力超过正断抗力时发生的脆性正断断裂。C区断口与叶片主轴方向约成45°角,断口表面比较粗糙,表明该断面是在巨大的切应力作用下发生的切向断裂。B区断口较复杂,其主要外观是有一与叶片工作面约成45°斜卧在断面上的台阶,它是正断与切断2种应力状态发生转换时留下的特征。脆性正断的断面先于切向断裂的断面而发生断裂,故可以判断断裂源在A区断口。为此,对A区断口作进一步宏观扫描电镜分析,其结果示于图4、图5。由图可见,叶片进气侧前缘顶端有一月牙形疤痕,其尺寸达200μm×500μm,疤痕外表覆盖有一小金属片,查看汽轮机叶片设计图纸表明,此小金属片不是叶片应有的。由月牙形疤痕向内观察,发现有弧形贝纹花样,且愈向内愈明显;贝纹圆弧向内是稍呈扇形的放射状花样区,该放射区发展直至转换应力状态的斜卧台阶。由此可以断定月牙形疤痕是该叶片断裂的裂纹源,其后的圆弧贝纹花样是叶片断裂的疲劳扩展区。图5中黑线显示截面金相的取样位置。3.2断裂断裂体系分析裂纹源区扫描电镜分析结果示于图6a。由图可见,该源区晶粒粗大,晶界呈现开裂,沿晶分布着粗大的圆球形氧化物、析出物。此外,还有呈Y形的二次裂纹和成堆大块剥落物,这是过热过烧组织的特征,它导致断裂裂纹源的形成。放射花样区扫描电镜分析结果示于图6b。该图由解理花样、二次裂纹等表征脆性断裂特征的花样组成。切向断裂断面扫描电镜分析结果示于图6c。由图可见,此图与图6a、6b所示的形貌特征截然不同,是切向断裂特有的撕裂(拉长)韧窝花样,并与切向断裂扩展方向一致。4金相组织观察为了检测和判断该叶片用钢的冶金质量和热处理规范,特别是要找出断裂源区与其表面覆盖小金属片之间的关系,对叶片的特征区域进行了全面的金相组织观察。4.1金相组织分析取叶片断口附近纵剖面,在磨光、抛光状态下未发现异常非金属夹杂物,表明钢的冶金质量符合标准。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后进行金相组织分析,结果示于图7。由图可见,叶片金相组织为保留马氏体位向的回火索氏体,基本属于1Cr12Ni2Mo1VN钢正常淬火加高温回火组织,只是组织稍显粗大,但基本符合热处理标准要求。4.2显微组织及能谱分析将裂纹源区及其表面小金属片沿图5所示黑线纵向剖开,其截面金相照片示于图8。图8a为裂纹源区金相组织,图8b为小金属片的金相组织,两者组织特征明显不同,且小金属片与基体分离。图8a下侧边缘即源区不仅晶粒粗大,且呈现明显的剥落特征,进一步证实疤痕处发生了严重过热、过烧。同时,显微硬度测试显示两者硬度差异较大,离小金属片较近处叶片硬度为461HV0.1,而小金属片的硬度为293HV0.1。图9是图8中小金属片的放大图,显示液态金属凝固后铸态组织特征。为了进一步弄清小金属片的性质及来源,对其进行能谱分析,结果示于图10。可见小金属片主要成分为Fe、Cr、Mn,其中Cr41.33%,Mn7.46%,表明小金属片与叶片材料完全不同,是外来的。5分析与讨论的结果5.1加固环形拉筋综上所述,该断裂叶片选材合适,热处理及金相组织基本正常,故在正常运行时不应发生叶片断裂事故。分析证明,是外来金属溶液及其凝固导致叶片前缘局部过烧过热,形成疤痕缺陷。调研证实,该末级叶片系列组装至汽轮机主轴后,为了减小或基本消除运行时离心力对叶片根部螺纹的拉拔作用而加固一道环形拉筋(见图1),该环形拉筋分2段或3段,对称穿过叶片拉筋孔,拉紧后用电弧焊(也有用氩弧焊)连接成环形。而成分为Fe-41.33%Cr-7.46%Mn的小金属片与焊接拉筋的焊条合金成分非常接近,因此可以断定,在此次为末级叶片焊接拉筋时,操作者不慎将焊条与叶片进汽侧内弧顶端接触,瞬时形成电弧,操作者立即拉开,但点燃的焊条已烧坏了叶片前缘顶端局部表面,并留下少量焊条金属液。高温(高于1500~1600℃)金属液在凝固过程中高温加热叶片业已形成的缺陷及其附近的金属体,形成过烧、过热金相组织。这是操作不慎造成的。5.2微观断口观察由表2中数据可知,叶片用钢具有良好的塑性及强韧性,标准拉伸断口呈杯锥状,微观形貌中部为等轴韧窝,周缘为剪切韧窝。由图3可见,同样承受拉应力的叶片断口却有很大不同,有一半以上是脆性正断断口,另一半为呈一定夹角的一大一小2个切向断面,小者是由正断断口转向45°,形似三角形;大者则是从叶片工作面开始沿与叶片主轴成45°方向扩展、断裂,形似长四边形。叶片微观断口与标准拉伸断口差异更大,除剪切断口呈拉长韧窝外,其余部位存在大量解理花样。相同材料在基本相同的拉伸条件下两者断口形貌差异如此之大,而且叶片工作处于500~600℃高温,标准拉伸是在室温下进行,前者更有利于塑性变形和韧性断裂,但结果正相反。5.2.1,最大切应力工件上任何一点处受力情况总可以分解为切应力和正应力2部分,加载方式不同,对应的最大切应力和最大正应力大小方向不同,假定某点3个主应力分别为σ1、σ2、σ3,则按第二强度理论,其相当最大正应力σmax=σ1-μ(σ2+σ3),并与σ1同方向。按第三强度理论,最大切应力τmax=(σ1-σ3)/2,与σ1、σ3成45°方向。α=τmax/σmax=(σ1-σ3)/{2[σ1-μ(σ2+σ3)]}式中α——应力状态软性系数μ——泊松比,一般取0.25切应力导致塑性变形和韧性切断,正应力则导致弹性变形和脆性正断,所以α值愈小则应力状态愈硬,愈易造成脆性断裂。5.2.2向不等拉应力下的相切应力以最大切应力为纵坐标,最大相当正应力为横坐标,并标上某材料某组织状态下的τs(切屈服力)、τk(切断抗力),σk(正断抗力),即可作成该材料的力学状态图。通过查阅有关资料,获得1Cr12Ni2Mo1VN钢调质状态下的力学性能指标τs、τk、σk或σb为360MPa、460MPa和980MPa。根据这组数据,作出1Cr12Ni2Mo1VN钢调质状态下的力学状态图示于图11。同时在该图上示出各种力学行为区域。研究表明,体心结构钢的τs、τk、σk这3个指标中,τs受外因影响最为敏感。τs随加载速度的增大而迅速升高,当极高速加载时,τs值会迅速接近τk值。应力状态也会改变τs的大小,切向分量越大则越有利于塑性变形,因此τs越低,在三向不等拉伸条件下τs最高可接近τk,但外因对τk、σk影响不大。由图3中A区照片可见,裂纹源位于叶片进汽侧内弧顶端,在轴向不对称交变拉应力作用下,裂纹横向疲劳扩展,此时疲劳裂纹扩展的速度非常缓慢,占了叶片工作寿命的绝大部分。当疲劳裂纹扩展到一定深度时,在其前沿形成很大的轴向(离心力方向)应力集中和相应的应变集中。由于此处叶片尺寸较厚,形状复杂,在弧形裂纹周围,尤其两侧存在着较宽厚的未断金属体(见图4),它严重地制约裂纹前沿发生塑性应变而松弛集中应力的可能性,因此相应形成与弧形疲劳裂纹前沿相切的横向应力,以及与弧形裂纹径向方向一致的径向应力。这种三向不等拉应力的“平面应变”应力状态,它的软性系数α值为0.1。由图11可见,与离心拉应力同步增大的裂纹前沿的三向不等拉应力,当集中应力达到σk时,则形成微裂纹,随着微裂纹的大量形成及扩展,残余未断断面相应减小,离心拉应力增大,但由于新的裂纹前沿周边及两侧依旧存在大块未断金属体,三向不等拉应力状态(即“平面应变”状态)不变,同样在前沿达到σk处形成新的系列微裂纹,微裂纹向叶片深度、广度扩展,且速度越来越快,裂纹两侧未断金属体愈来愈小,直至叶片厚度尺寸较小,且形状平直的排气侧,两边未断金属体消失,横向应力松弛,裂纹前沿变为“平面应力”的二向应力状态,应力状态软性系数回归原来的0.5。与离心拉应力成45°方向切应力迅速增大,有利于发生塑性切变,但由于此时叶片已断部分超过大半,而所受离心拉力基本不变,所以离心拉应力发展非常快,极高的加荷速度导致τs迅速升高,直至接近τk值,所以裂纹几乎同时沿着两个甚至更多切向方向快速扩展瞬完成断裂,从而在2~3个与轴向成45°方向的断面上留下切断特有的微观撕裂韧窝。上述分析说明,在叶片进汽侧顶端存在缺陷,通过最初的疲劳扩展,造成裂纹前沿应力集中、应变集中、三向应力,应力状态严重“硬化”、脆化导致叶片最终断裂,因此在叶片进汽侧顶端存在缺陷是非常危险的,且此处在各种工序中又最容易受到伤害,所以应对此处加强检查以杜绝类似事故的发生。6叶片断裂破碎,为焊接拉金所需(1)断裂叶片用材合适,热处理符合要求,汽