火电厂汽轮机叶轮轮缘开裂失效研究

张军

摘  要：通过一系列的分析，例如能谱以及成分分析，针对叶轮轮缘开裂的现象，对其开展了全面的失效分析。通过分析结果得知，对于该汽轮机叶轮失效而言，属于一种普遍的应力腐蚀开裂，主要由于两个方面的因素，从而致使叶轮开裂现象的出现，一是在叶轮上方根部，有着相对集中的应力，二是在汽轮机运行环境中有着多种腐蚀元素，例如钠元素、氯元素以及硫元素。总之通过本文的探究，以期为有关人员提供参考。

关键词：汽轮机;叶轮失效;金相组织;化学成分;应力腐蚀

引言：

就汽轮机转子而言，其主要是在高温以及高压的环境下进行工作的，同时它还有很大的旋转速度，能够承受诸多不同的作用力。在汽轮机转子中，最大的承受应力的零件就是叶轮。因为在蒸汽之中，会存在少数的杂质，这对于叶轮几何过度处来说，极易引起腐蚀性介质在这之中出现局部浓缩现象，往往会在叶轮应力相对聚集的位置，造成应力腐蚀开裂问题。根据有关统计，汽轮机叶轮开裂往往出现于两个地方，也就是键槽以及轮缘处，另外在内孔以及表面的地方，也容易出现开裂的现象。由于根部以及轮缘的作用，再加上对结构的装配，致使在轮缘叶根槽的地方，存在相对集中的应力。在汽轮机中，导致叶轮失效的行为中，轮缘开裂是比较常见的现象，如果没有及时看到裂纹，任由它继续发展下去，将会导致轮缘断裂问题，同时叶片也会脱离，最终导致转子失衡问题，这一后果是非常严重的，因此应该加强失效机理的研究。

1.叶轮轮缘开裂失效概况

某电厂汽轮机在开展寿命评估检验中，通过渗透检测得知，叶轮轮缘外存在开裂，一共出现两处裂纹，从长度上来看，裂纹1大概达到0.7毫米，裂纹2的达到0.5毫米，图1所示，为裂纹位置与形貌，结合图中所含信息得知，两者有着一定的类似性，将裂纹1开展解剖分析。针对开裂位置开展相应的超声波探伤，通过结果得知，深度大概达到9毫米，并且在叶轮的周围，有着很多的附着物。为了更好探究开裂原因，基于开裂位置取样开展失效分析。

2.宏观检查

对裂纹1开展切割取样，图2（a）所示，为实际所选取的样品;通过全面观察得知，轮缘已经彻底裂透，而且对于底部以及叶轮槽，两者之间存在金属垫片，详情如图2（b）所示。因此对于上方根部来讲，需要承受一定的拉应力，换而言之，应力主要体现于开裂部分。朝着径向解剖试样，图3所示，为径向的截面。结合图中所含信息得知，这一处的裂纹并没有彻底裂透，由此可以判断，从上方根部朝着外部开裂，对于裂纹的尖端来讲，是以树枝状来进行分布的。

3.实验分析

本实验主要从以下方面进行分析，也就是金相组织分析、扫描电镜分析、断口能谱分析以及化学成分分析，以期为相关人员提供借鉴。（1）金相组织分析。向正常部位进行取样，通过对显微镜的使用来检验，图4（a）所示，为详细的检验结果，结合图中所含信息可以得知，对于金相组织而言，其组织并非异常。向开裂部位进行取样，通过对显微镜的使用来检验，图4（b）所示，为详细的检验结果，结合图中所含信息可以得知，对于基体组织而言，其属于回火索氏体。结合裂纹来分析，主要是沿晶开裂，对于裂纹的尖端来讲，是以树枝状来进行分布的。

（2）扫描电镜分析。沿着裂纹1的方向把样品打开，得知在断口表面，存在很多的白色腐蚀物，将断口进行清洗处理，通过对扫描电镜的使用来进行观测，结果显示，断口基本上被产物所覆盖，对于露出的部分而言，属于一种花样断口，在两方面的作用下致使断口形成，一方面是应力，另一方面就是白色腐蚀产物，断口属于一种较为常见的脆性断口。针对花样处断口，对其进行放大处理得知，有着很多的二次裂纹。在全面分析断口的基础上得知，就1号裂纹断口而言，其存在应力断裂形貌。

（3）断口能谱分析。针对叶轮周围白色附着物，对其开展能谱分析，图5所示，为微观形貌，详细结果见表1。通过结果可以得知，在这一附着物中存在一系列的敏感元素，而且量是很大的，例如钠元素、硫元素。针对表面处腐蚀产物，对其开展能谱分析，图6所示，为微观形貌，详细结果见表2。通过结果可以得知，在这一腐蚀产物中存在一系列的敏感元素，而且量是很大的，例如钠元素、氯元素。

（4）化学成分分析。对于汽轮机叶轮而言，其材质属于34CrNi3Mo，取样对轮缘开展成分分析，确定叶轮材料有没有满足标准要求。表3所示，为成分分析结果，结合表中所含信息得知，叶轮成分能够满足有关的标准要求。

4.开裂原因分析

对于致使汽轮机轮缘开裂的原因，本文主要从两个方面进行分析，也就是开裂特征分析以及断裂过程分析，希望能为有关人员提供帮助。（1）开裂特征分析。通过进行现场观察，再加上宏观检测得知，叶轮周围有着很多的白色附着物，裂纹开始形成于上方根部。针对于底部以及叶轮槽，由于两者之间存在金属垫片，促使叶轮在实际运行中，需要承受两种力，一种是拉应力，另一种就是离心力，应力主要体现于开裂部位。针对金相组织对其开展检查得知，对于金相组织而言，其组织并非异常，结合裂纹来分析，主要是沿晶开裂，对于裂纹的尖端来讲，是以树枝状来进行分布的，存在应力腐蚀形貌的特点。通过成分分析结果得知，对于汽轮机叶轮而言，其材质属于34CrNi3Mo，能够满足有关的标准要求，并且这一材料存在应力腐蚀敏感性。通过对扫描电镜的使用来开展能谱分析，结合结果可以得知，断面有着很多的腐蚀产物，有着二次裂纹的现象，以断口裸露的地方来看，属于一种冰糖状花样，而断口属于一种较为常见的断口，存在应力腐蚀断口的特点。由此可以得知，针对这一轮缘开裂而言，是一种普遍的应力腐蚀开裂。

（2）断裂过程分析。汽轮机实际工作中，对于叶轮上方根部来讲，受到多种应力的作用，例如较为常见的热应力，由于有着一定的金属垫片，致使这一处的应力被增加，与此同时，该处属于几何断续的地方，应力集中相对突出。叶轮运转处于湿蒸汽的环境，其中有着一系列的腐蚀元素，例如较为常见的钠元素、氯元素以及硫元素，和水作用產生电解液，渗进叶轮轮缘的地方，从而致使电化学腐蚀。在叶轮上方根部，由于存在较为集中的应力，使得这一处形成裂纹源，最终导致应力腐蚀开裂。和应力呈90度的方向，朝着这一方向裂纹不断延伸，直到彻底裂透。

结论：

综上所述，在叶轮上方根部处有着相对集中的应力，当汽轮机处于工作状态，在这一个地方长时间积聚多种腐蚀元素，例如钠元素、氯元素以及硫元素，而且量是很大的，因此极有可能产生腐蚀环境，久而久之，会致使应力腐蚀开裂的出现。以定期的形式，在对汽轮机开展检修作业时，对于这一处埋藏的缺陷，需要注重进行检查，为汽轮机正常的运转，提供强有力的保障。

参考文献：

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