高爐煤氣能量回收透平葉片失效的原因

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(1.西安文理學院機械與材料工程學院，陜西省表面工程與再制造重點實驗室，西安 710065； 2.西安交通大學材料學院，金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049)

0 引 言

能量回收透平(簡稱TRT)裝置是一種典型的能量回收裝置，該裝置利用高爐爐頂煤氣的余壓余熱把煤氣導入透平膨脹機，使壓力能和熱能轉化為機械能，從而驅動發(fā)電機發(fā)電[1]。TRT具有能量回收效率高、運行平穩(wěn)、維護方便、安全可靠等特點，在冶金行業(yè)中得到廣泛的應用，是綠色經濟循環(huán)發(fā)展的重要裝備之一。我國自20世紀90年代開始，在大中型高爐上安裝了TRT裝置并取得了較好的經濟效益和社會效益。國家經貿委明確提出，容積1 000 m3以上高爐必須配備TRT裝置，同時制定了相應的標準YB9051。TRT按照服役工況的不同可分為干式TRT和濕式TRT。對于濕式TRT，由于其服役的高爐煤氣中同時含有腐蝕性介質和水汽，因此經常發(fā)生葉片的腐蝕、磨損甚至斷裂事故[2-4]。某濕式TRT機組平穩(wěn)運行3 a后，因裝置異常振動對其進行停機檢修。該機組共有2級動葉片，每級動葉片包含23片葉片，對所有動葉片進行著色滲透測試。結果發(fā)現(xiàn)，1級和2級動葉片中分別有17片和7片葉片在葉根第一榫齒接觸面部位存在較長的微裂紋。該機組的工作介質為高爐煤氣，工作溫度為35～75 ℃，失效葉片的材料為0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，葉根為樅樹型結構。為找到裂紋產生的原因，作者對葉片進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌及取樣位置

該TRT機組2級動葉中失效葉片的宏觀形貌如圖1所示，裂紋位于圖中箭頭之間。

圖1 有裂紋葉片葉根的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the root of blade with cracks

將葉片葉根劃分為三個區(qū)，如圖2所示，在不同區(qū)中截取試樣，對葉片中的裂紋和斷口進行分析。

圖2 有裂紋葉片葉根的取樣示意Fig.2 Sampling schematic of the root of blade with cracks

1.2 化學成分

在圖2中Ⅲ區(qū)截取試樣，采用ARC-MET8000型直讀光譜儀對葉片進行化學成分分析。測試結果(質量分數/%)為：0.04C，0.24Mn，0.02P，0.004S，0.55Si，4.24Ni，15.66Cr，3.04Cu，0.26(Nb+Ta)；其化學成分符合GB/T 8732的要求。

1.3 拉伸性能

在圖2中Ⅰ區(qū)截取兩個橫向試樣，在WE-50型液壓式萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗。試驗結果為：屈服強度分別為824，811 MPa；抗拉強度分別為910，900 MPa；伸長率分別為25%，26%；斷面收縮率均為70%。葉片的強度與塑性均符合GB/T 8732的要求。

1.4 裂紋斷口形貌

在圖2中Ⅱ區(qū)截取金相試樣，經預磨、拋光、浸蝕后采用KH-1300HIROX型三維視頻顯微鏡觀察浸蝕前后的顯微組織。葉根處裂紋表面的微觀形貌如圖3所示，圖中短箭頭所指為裂紋。由圖可以看出，葉根表面有大量的加工刀痕，且葉根裂紋周圍存在明顯的黑色腐蝕坑，同時在裂紋附近存在黑灰色的微振磨損痕跡。

圖3 有裂紋葉片裂紋表面的微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of the crack surface of blade with cracks: (a) low magnification and (b) high magnification

沿葉根裂紋處人工打開葉片后，直接目視觀察其斷面形貌。由圖4可知：在垂直于葉根接觸表面的縱深區(qū)有明顯的疲勞條帶，并且在接觸面上存在多個疲勞條帶的發(fā)源區(qū)；斷口表面可分為腐蝕坑區(qū)(截面A)、裂紋源區(qū)(截面B)、微振磨損區(qū)(截面C)。

1.5 微觀形貌與顯微組織

1.5.1 裂紋

在失效葉片裂紋處截取試樣，經打磨、拋光后，采用維列拉腐蝕劑對試樣腐蝕3 min，在KH-1300HIROX型三維視頻顯微鏡下觀察腐蝕前后裂紋的微觀形貌。由圖5可知：裂紋呈穿晶型擴展，并且裂紋沒有分支；裂紋附近未觀察到夾雜物或δ鐵素體，但在接觸面上存在一層薄的間斷性白色顆粒。由文獻[5]可以推測出，這些白色顆粒是由葉根隼齒和主軸隼齒間微振磨損引起的摩擦過熱而產生的未回火馬氏體，而局部化的腐蝕和腐蝕點造成了白色顆粒的間斷性。

1.5.2 腐蝕坑、裂紋源區(qū)及磨損區(qū)

圖5 失效葉片裂紋的微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of cracks of failure blade: (a) polished state and (b) etched state

在圖4(c)截面A處截取試樣，觀察葉根接觸表面腐蝕坑的顯微組織。由圖6可知：組織為回火板條馬氏體，未見異常。采用EDAX能譜儀對腐蝕坑中的腐蝕產物進行分析，結果見表1。由表可知：除葉片材料中的化學元素外，還存在鈉、氯、鎂、鉀和硫等元素，同時氧元素的含量也較多。因此，腐蝕坑的出現(xiàn)是由于當介質中的Cl-和氧化劑同時存在時，材料發(fā)生點腐蝕所致[6]。

圖6 截面A處腐蝕坑的顯微組織Fig.6 Microstructure of corrosion pits in the cross-section A

表1 腐蝕坑的能譜分析結果(質量分數)Tab.1 Results of energy spectrum analysis of the corrosion pits (mass) %

在圖4(c)截面B處截取試樣，觀察葉根接觸表面裂紋源區(qū)的顯微組織。由圖7可以看出：裂紋源區(qū)的裂紋沒有分支，未發(fā)現(xiàn)夾雜物或者δ鐵素體，組織正常；裂紋源區(qū)未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑，但在斷口上存在多處腐蝕坑；在斷口下方存在因微振磨損而造成的表面損傷，圖中白色箭頭所指為磨損造成的白色馬氏體顆粒，與圖5(b)中的結果類似。

在圖4(c)截面C處截取試樣，觀察葉根接觸表面微振磨損區(qū)的顯微組織。由圖8可以看出：失效葉片葉根表面微振磨損的最大深度約為50 μm，同時微振磨損區(qū)存在典型的接觸疲勞裂紋；截面C處試樣經腐蝕后發(fā)現(xiàn)，微振磨損區(qū)存在由磨損引起的白色不連續(xù)層，此類白色顆粒是由摩擦過熱而產生的。

圖8 截面C微振磨損區(qū)的顯微組織Fig.8 Microstructure of fretting wear zone in the cross-section C: (a) before etching and (b) after etching

圖9 人工打開前葉根接觸面的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of the blade root surface before opening manually:(a) low magnification and (b) high magnification

1.6 SEM形貌

在FEI Quanta650型掃描電子顯微鏡下觀察人工打開前葉根接觸面、人工打開后斷口和斷口裂紋擴展區(qū)的形貌。由圖9可知，葉根表面在加工刀痕附近存在二次裂紋，且裂紋始于腐蝕坑；裂紋附近有大量的腐蝕氧化物，且存在由微振磨損造成的表面損傷。由圖10可知：在斷口裂紋源區(qū)存在明顯的腐蝕坑，經測量其腐蝕坑的深度大約為100 μm，同時還發(fā)現(xiàn)多條始于腐蝕坑的二次裂紋。由圖11可知，斷口呈穿晶解理特征，存在典型的疲勞條帶。

2 原因分析

該TRT葉片的失效與其服役環(huán)境有關。一方面，軸流式透平的動葉片在運轉過程中主要承受兩種應力，分別為高速旋轉時葉片自身質量產生的離心力(包括離心拉應力和離心彎曲應力)和氣流通過葉片所產生的氣動彎曲應力[4,7]；另一方面，當由交變應力產生的振動下傳至葉根時，葉根和主軸間產生摩擦，從而造成葉根接觸面的磨損[8-9]。此外，高爐煤氣中常常含有S、Cl、CO、H2等腐蝕性介質[10]。因此，TRT葉片在上述應力、振動、腐蝕、磨損等多種因素的作用下可能引發(fā)的失效模式包括電化學腐蝕、機械疲勞、應力腐蝕、腐蝕疲勞、氫脆等[11-12]。

圖10 沿接觸面人工打開后斷口的SEM形貌Fig.10 SEM morphology of the fracture after opening manually along contact surface: (a) low magnification and (b) high magnification

圖11 斷口裂紋擴展區(qū)的SEM形貌Fig.11 SEM morphology of the crack propagation region of fracture:(a) low magnification and (b) high magnification

葉片葉根隼槽裂紋的萌生大多是由于隼齒間距不當而引起微動，進而產生微動磨損造成的[13]；個別裂紋是由于機組在高溫運行時隼槽處的熱膨脹不當而產生的應力所導致的[14]。由以上分析結果可知：葉根表面裂紋源附近存在多處因腐蝕而形成的點蝕坑，斷口上存在多個疲勞源，同時腐蝕坑腐蝕產物含有氯、硫、氧等多種腐蝕性元素；葉根與主軸榫槽接觸面沒有發(fā)現(xiàn)因微振磨損而引起的二次裂紋，且微振磨損損傷的深度比接觸面上的腐蝕坑淺得多，這表明因接觸疲勞所造成的表面損傷并不嚴重，因此微振磨損不是裂紋萌生的主要原因，僅僅加劇了腐蝕坑的形成。該TRT機組為濕式機組，最高的工作溫度為75 ℃，因此裂紋萌生與熱膨脹不當也無關。在葉片根部發(fā)現(xiàn)了大量始于腐蝕坑的二次裂紋，這說明裂紋在腐蝕坑處萌生。

通常，裂紋萌生后，在交變應力或腐蝕的作用下，裂紋將進一步擴展[6-7,11]。由上述分析結果可知：裂紋從葉根接觸面至裂紋頂部均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋分支，斷口呈穿晶解理特征；在遠離裂紋源區(qū)的斷口表面上未發(fā)現(xiàn)任何腐蝕產物，在斷口裂紋擴展區(qū)也沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕坑，這表明裂紋的擴展與環(huán)境介質無關，腐蝕并不是裂紋擴展的主要因素。裂紋源區(qū)附近的條帶特征不明顯，裂紋擴展區(qū)中存在典型的疲勞條帶，且條帶的間距較小，這些均屬于高周疲勞斷裂的典型形貌特征[14]，因此裂紋擴展的主要機理為高周疲勞裂紋擴展。另外，斷口表面中間位置處條紋的間距發(fā)生了明顯的變化，這說明在裂紋擴展過程中，葉片承受的載荷發(fā)生了較大的變化。因此，葉根裂紋在萌生后，在高周疲勞載荷即交變應力的作用下發(fā)生了進一步的擴展。

綜上可知，腐蝕、交變應力在濕式TRT葉片失效的不同階段所起的作用不同。腐蝕介質易在葉根部位聚集，同時該部位承受了磨損及交變應力的協(xié)同作用。為此，建議采用噴丸、熱噴涂等表面強化和防護方法來提高葉根表面的耐腐蝕性能，從而防止裂紋的萌生；同時建議在TRT介質入口處添加緩蝕劑，去除介質中的氯、硫等腐蝕性元素，改善葉片工作環(huán)境，從根本上降低腐蝕疲勞產生的幾率。

3 結論與措施

(1) 葉片葉根的裂紋屬于典型腐蝕疲勞開裂，裂紋在葉根與主軸榫槽接觸面的腐蝕坑處萌生，并在高周疲勞載荷即交變應力的作用下發(fā)生了進一步的擴展。

(2) 為提高葉片的服役壽命，建議對葉根隼槽部位進行噴丸、熱噴涂等表面強化和防護處理，并在TRT介質入口處添加緩蝕劑，提高葉片的耐蝕能力并改善葉片的工作環(huán)境。

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