某电厂低压转子末二级叶片开裂原因分析

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(润电能源科学技术有限公司，郑州 450052)

1 问题概述

某电厂#2机组为上海汽轮机厂生产的125 MW汽轮机，型号为N125-13.24/535/535，于1999年安装投产，至2017年5月累计运行近18年。2017年5月19日#2机组A级检修中，发现低压转子左旋第5级及右旋第5级(即末二级)共27片叶片存在裂纹，叶片材质为2Cr13。

2 检查情况

2.1 宏观检查

2017年7月26日收到电厂送来的3根叶片，长约560 mm、宽约78 mm，分别对叶片编号右1、左1和左2。宏观检查叶片无明显腐蚀，靠近根部有较多黑色腐蚀产物，如图1中箭头所示。叶片右1、左1存在多条裂纹，多数位于叶片长度方向中部、宽度方向的出汽侧，裂纹长度3～15 mm不等，整体较为平直，宏观形貌如图2所示。

图1 叶片宏观照片Fig.1 Macro photo of the blade

图2 右1叶片裂纹形貌Fig.2 Crack morphology of the first blade on the right

2.2 成分分析

使用台式直读光谱仪(型号FOUNDRY-MASTER PRO)对叶片进行成分复核，其化学成分均符合标准GB/T 8732—2014《汽轮机叶片用钢》对2Cr13材料要求[1]，具体见表1。

2.3 机械性能检测

3根叶片分别取室温拉伸和冲击试样，检测结果见表2，室温力学性能及冲击吸收功均符合标准GB/T 8732——2014《汽轮机叶片用钢》要求。

表1 化学成分分析结果Tab.1 Chemical composition analysis results %

表2 室温力学性能及冲击吸收功Tab.2 Mechanical properties at room temperature and impact absorption work

表3 叶片显微硬度检测结果Tab.3 Results of microhardness test of leaves

使用显微硬度计(型号HV-1000)对叶片横截面进行硬度检测，检测部位示意如图3尖头所示，检测结果见表3。DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》中要求材料为2Cr13动叶片硬度范围212～277 HB[2]。从表3检测结果可知，开裂的右1叶片、左1叶片出汽侧局部硬度远高于标准上限，距出汽侧5 mm范围内，右1、左1叶片硬度最高已达410，415 HB，而无裂纹的左2叶片硬度均匀且符合标准要求。

图3 显微硬度检测位置示意Fig.3 Schematic location of the microhardness test

2.4 金相检测

对所取叶片试样出汽侧凸面进行金相检测，可明显看出右1和左1叶片出汽侧边缘硬度较高区域均与内部存在明显差异，如图4椭圆内所示，裂纹起始于出汽侧边缘硬度较高区域，并向内扩展至硬度正常区域。

续表

图4 侵蚀后宏观形貌Fig.4 Macroscopic morphology after erosion

存在裂纹的右1叶片高硬度区主裂纹有较多二次及三次分支裂纹，主裂纹尖端细长，穿晶扩展，如图5～7所示。中部组织为有明显板条特征的回火索氏体，而出汽侧1～3 mm处组织无明显板条特征，有较多黑色析出物，如图8～10所示。

图5 右1叶片出汽侧1～3 mm处抛光态(200×)Fig.5 Polished condition at 1～3 mm from the steam outlet of the fist blade on the right(200×)

图6 右1叶片出汽侧裂纹尖端(200×)Fig.6 Crack tip atsteam outlet of the fist blade on the right(200×)

图7 右1叶片出汽侧1～3 mm处腐蚀态(200×)Fig.7 Eroded condition at 1～3 mm from the steam outlet of the fist blade on the right(200×)

图8 右1叶片出汽侧1～3 mm处(500×)Fig.8 1～3 mm from the steam outlet of the fist blade on the right(500×)

无裂纹的左2叶片出汽侧1～3 mm处与中部的宏观及显微组织无明显差异，均为有板条特征的回火索氏体组织，如图11、图12所示。

图11 左2叶片出汽侧1 mm处(500×)Fig.11 1 mm from the steam outlet of the second blade on the left (500×)

图12 左2叶片中部(500×)Fig.12 Middle part of first blade on the left (500×)

3 开裂原因分析

(1)3根叶片材质符合标准要求，可以排除用错材质因素。

(2)右1及左1叶片裂纹位于较薄的出汽侧边缘，所检测力学性能及冲击功试样取自叶片进汽侧及中部，虽满足标准要求，但无法代表开裂区性能。

(3)从显微硬度的检测结果可看出，存在裂纹叶片的出汽侧边缘硬度和其他部位有较大差异，右1、左1裂纹区硬度最高达410，415 HB，其他区域硬度基本在220～250 HB之间，而无裂纹的左2叶片各处硬度均匀且符合标准要求。据该电厂技术人员介绍，本级叶片进汽侧是经过高频淬火处理的，而出汽侧表面未做任何硬化处理，运行以来叶片也未做其他调整，在该级叶片在正常工作状态下，不应出现局部硬度异常升高的情况。

从金相检测结果来看，3根叶片硬度正常区域组织均为有板条特征的回火索氏体，而右1和左1叶片出汽侧边缘的高硬度区域宏观及显微组织均与内部都有明显差异，组织无明显板条特征，且有较多黑色析出物，不排除此区域存在隐针或隐晶马氏体。

相关文献表明[3-5]，2Cr13材料叶片高温淬火后，表面0.5～2.5 mm范围内硬度通常为40～48 HRC(对应布氏硬度370～460 HB)，组织为细小的回火马氏体。这与本文硬度偏高区域的硬度值及组织形态接近。

4 结论

综合各项检验结果，认为造成#2机组低压第5级叶片开裂的原因为：叶片出汽侧局部组织异常、硬度远高于标准要求，导致局部抗疲劳性能较差，在运行过程中从高硬度区萌生裂纹并不断扩展。