火電廠汽輪機(jī)葉輪輪緣開裂失效研究

張軍

摘 ?要：通過(guò)一系列的分析，例如能譜以及成分分析，針對(duì)葉輪輪緣開裂的現(xiàn)象，對(duì)其開展了全面的失效分析。通過(guò)分析結(jié)果得知，對(duì)于該汽輪機(jī)葉輪失效而言，屬于一種普遍的應(yīng)力腐蝕開裂，主要由于兩個(gè)方面的因素，從而致使葉輪開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，一是在葉輪上方根部，有著相對(duì)集中的應(yīng)力，二是在汽輪機(jī)運(yùn)行環(huán)境中有著多種腐蝕元素，例如鈉元素、氯元素以及硫元素。總之通過(guò)本文的探究，以期為有關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);葉輪失效;金相組織;化學(xué)成分;應(yīng)力腐蝕

引言：

就汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子而言，其主要是在高溫以及高壓的環(huán)境下進(jìn)行工作的，同時(shí)它還有很大的旋轉(zhuǎn)速度，能夠承受諸多不同的作用力。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中，最大的承受應(yīng)力的零件就是葉輪。因?yàn)樵谡羝校瑫?huì)存在少數(shù)的雜質(zhì)，這對(duì)于葉輪幾何過(guò)度處來(lái)說(shuō)，極易引起腐蝕性介質(zhì)在這之中出現(xiàn)局部濃縮現(xiàn)象，往往會(huì)在葉輪應(yīng)力相對(duì)聚集的位置，造成應(yīng)力腐蝕開裂問(wèn)題。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，汽輪機(jī)葉輪開裂往往出現(xiàn)于兩個(gè)地方，也就是鍵槽以及輪緣處，另外在內(nèi)孔以及表面的地方，也容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。由于根部以及輪緣的作用，再加上對(duì)結(jié)構(gòu)的裝配，致使在輪緣葉根槽的地方，存在相對(duì)集中的應(yīng)力。在汽輪機(jī)中，導(dǎo)致葉輪失效的行為中，輪緣開裂是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象，如果沒(méi)有及時(shí)看到裂紋，任由它繼續(xù)發(fā)展下去，將會(huì)導(dǎo)致輪緣斷裂問(wèn)題，同時(shí)葉片也會(huì)脫離，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失衡問(wèn)題，這一后果是非常嚴(yán)重的，因此應(yīng)該加強(qiáng)失效機(jī)理的研究。

1.葉輪輪緣開裂失效概況

某電廠汽輪機(jī)在開展壽命評(píng)估檢驗(yàn)中，通過(guò)滲透檢測(cè)得知，葉輪輪緣外存在開裂，一共出現(xiàn)兩處裂紋，從長(zhǎng)度上來(lái)看，裂紋1大概達(dá)到0.7毫米，裂紋2的達(dá)到0.5毫米，圖1所示，為裂紋位置與形貌，結(jié)合圖中所含信息得知，兩者有著一定的類似性，將裂紋1開展解剖分析。針對(duì)開裂位置開展相應(yīng)的超聲波探傷，通過(guò)結(jié)果得知，深度大概達(dá)到9毫米，并且在葉輪的周圍，有著很多的附著物。為了更好探究開裂原因，基于開裂位置取樣開展失效分析。

2.宏觀檢查

對(duì)裂紋1開展切割取樣，圖2（a）所示，為實(shí)際所選取的樣品;通過(guò)全面觀察得知，輪緣已經(jīng)徹底裂透，而且對(duì)于底部以及葉輪槽，兩者之間存在金屬墊片，詳情如圖2（b）所示。因此對(duì)于上方根部來(lái)講，需要承受一定的拉應(yīng)力，換而言之，應(yīng)力主要體現(xiàn)于開裂部分。朝著徑向解剖試樣，圖3所示，為徑向的截面。結(jié)合圖中所含信息得知，這一處的裂紋并沒(méi)有徹底裂透，由此可以判斷，從上方根部朝著外部開裂，對(duì)于裂紋的尖端來(lái)講，是以樹枝狀來(lái)進(jìn)行分布的。

3.實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)主要從以下方面進(jìn)行分析，也就是金相組織分析、掃描電鏡分析、斷口能譜分析以及化學(xué)成分分析，以期為相關(guān)人員提供借鑒。（1）金相組織分析。向正常部位進(jìn)行取樣，通過(guò)對(duì)顯微鏡的使用來(lái)檢驗(yàn)，圖4（a）所示，為詳細(xì)的檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖中所含信息可以得知，對(duì)于金相組織而言，其組織并非異常。向開裂部位進(jìn)行取樣，通過(guò)對(duì)顯微鏡的使用來(lái)檢驗(yàn)，圖4（b）所示，為詳細(xì)的檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖中所含信息可以得知，對(duì)于基體組織而言，其屬于回火索氏體。結(jié)合裂紋來(lái)分析，主要是沿晶開裂，對(duì)于裂紋的尖端來(lái)講，是以樹枝狀來(lái)進(jìn)行分布的。

（2）掃描電鏡分析。沿著裂紋1的方向把樣品打開，得知在斷口表面，存在很多的白色腐蝕物，將斷口進(jìn)行清洗處理，通過(guò)對(duì)掃描電鏡的使用來(lái)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果顯示，斷口基本上被產(chǎn)物所覆蓋，對(duì)于露出的部分而言，屬于一種花樣斷口，在兩方面的作用下致使斷口形成，一方面是應(yīng)力，另一方面就是白色腐蝕產(chǎn)物，斷口屬于一種較為常見(jiàn)的脆性斷口。針對(duì)花樣處斷口，對(duì)其進(jìn)行放大處理得知，有著很多的二次裂紋。在全面分析斷口的基礎(chǔ)上得知，就1號(hào)裂紋斷口而言，其存在應(yīng)力斷裂形貌。

（3）斷口能譜分析。針對(duì)葉輪周圍白色附著物，對(duì)其開展能譜分析，圖5所示，為微觀形貌，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)結(jié)果可以得知，在這一附著物中存在一系列的敏感元素，而且量是很大的，例如鈉元素、硫元素。針對(duì)表面處腐蝕產(chǎn)物，對(duì)其開展能譜分析，圖6所示，為微觀形貌，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)結(jié)果可以得知，在這一腐蝕產(chǎn)物中存在一系列的敏感元素，而且量是很大的，例如鈉元素、氯元素。

（4）化學(xué)成分分析。對(duì)于汽輪機(jī)葉輪而言，其材質(zhì)屬于34CrNi3Mo，取樣對(duì)輪緣開展成分分析，確定葉輪材料有沒(méi)有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。表3所示，為成分分析結(jié)果，結(jié)合表中所含信息得知，葉輪成分能夠滿足有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.開裂原因分析

對(duì)于致使汽輪機(jī)輪緣開裂的原因，本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，也就是開裂特征分析以及斷裂過(guò)程分析，希望能為有關(guān)人員提供幫助。（1）開裂特征分析。通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察，再加上宏觀檢測(cè)得知，葉輪周圍有著很多的白色附著物，裂紋開始形成于上方根部。針對(duì)于底部以及葉輪槽，由于兩者之間存在金屬墊片，促使葉輪在實(shí)際運(yùn)行中，需要承受兩種力，一種是拉應(yīng)力，另一種就是離心力，應(yīng)力主要體現(xiàn)于開裂部位。針對(duì)金相組織對(duì)其開展檢查得知，對(duì)于金相組織而言，其組織并非異常，結(jié)合裂紋來(lái)分析，主要是沿晶開裂，對(duì)于裂紋的尖端來(lái)講，是以樹枝狀來(lái)進(jìn)行分布的，存在應(yīng)力腐蝕形貌的特點(diǎn)。通過(guò)成分分析結(jié)果得知，對(duì)于汽輪機(jī)葉輪而言，其材質(zhì)屬于34CrNi3Mo，能夠滿足有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且這一材料存在應(yīng)力腐蝕敏感性。通過(guò)對(duì)掃描電鏡的使用來(lái)開展能譜分析，結(jié)合結(jié)果可以得知，斷面有著很多的腐蝕產(chǎn)物，有著二次裂紋的現(xiàn)象，以斷口裸露的地方來(lái)看，屬于一種冰糖狀花樣，而斷口屬于一種較為常見(jiàn)的斷口，存在應(yīng)力腐蝕斷口的特點(diǎn)。由此可以得知，針對(duì)這一輪緣開裂而言，是一種普遍的應(yīng)力腐蝕開裂。

（2）斷裂過(guò)程分析。汽輪機(jī)實(shí)際工作中，對(duì)于葉輪上方根部來(lái)講，受到多種應(yīng)力的作用，例如較為常見(jiàn)的熱應(yīng)力，由于有著一定的金屬墊片，致使這一處的應(yīng)力被增加，與此同時(shí)，該處屬于幾何斷續(xù)的地方，應(yīng)力集中相對(duì)突出。葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)處于濕蒸汽的環(huán)境，其中有著一系列的腐蝕元素，例如較為常見(jiàn)的鈉元素、氯元素以及硫元素，和水作用產(chǎn)生電解液，滲進(jìn)葉輪輪緣的地方，從而致使電化學(xué)腐蝕。在葉輪上方根部，由于存在較為集中的應(yīng)力，使得這一處形成裂紋源，最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。和應(yīng)力呈90度的方向，朝著這一方向裂紋不斷延伸，直到徹底裂透。

結(jié)論：

綜上所述，在葉輪上方根部處有著相對(duì)集中的應(yīng)力，當(dāng)汽輪機(jī)處于工作狀態(tài)，在這一個(gè)地方長(zhǎng)時(shí)間積聚多種腐蝕元素，例如鈉元素、氯元素以及硫元素，而且量是很大的，因此極有可能產(chǎn)生腐蝕環(huán)境，久而久之，會(huì)致使應(yīng)力腐蝕開裂的出現(xiàn)。以定期的形式，在對(duì)汽輪機(jī)開展檢修作業(yè)時(shí)，對(duì)于這一處埋藏的缺陷，需要注重進(jìn)行檢查，為汽輪機(jī)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，提供強(qiáng)有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]王軍明，商顯棟，張?zhí)?，張?jiān)?，郭相吉，仇性?電廠汽輪機(jī)葉輪輪緣開裂失效分析[J].工業(yè)加熱，2021，50（02）：46-48+52.

[2]常文爽.低壓汽輪機(jī)葉輪輪緣裂紋的超聲相控陣檢測(cè)[D].天津大學(xué)，2019.

[3].汽輪機(jī)葉輪輪緣裂紋的超聲波探傷[J].電力技術(shù)，2017（06）：8-9.