金屬材料
 

  1、某電廠1號(hào)機(jī)系北京重型電機(jī)廠制造的沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，其高壓轉(zhuǎn)子第8級(jí)葉片材料為2Cr13。1998年4月大修揭蓋后發(fā)現(xiàn)該級(jí)葉片有一段圍帶殘缺約10cm長(zhǎng)，有一個(gè)葉片在根部斷裂丟失，部分圍帶鉚釘頭有彈起現(xiàn)象。修復(fù)工作由電廠委托北京重型電機(jī)廠進(jìn)行，其修復(fù)過(guò)程為：拆除5段圍帶及43片葉片，更換斷裂和受損的2個(gè)葉片及損壞的2段圍帶，復(fù)裝后葉片與圍帶采用焊接固定，并對(duì)2段圍帶鉚釘頭彈起的部位進(jìn)行打磨后焊補(bǔ)，修后機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行。2000年5月7日，汽輪機(jī)出現(xiàn)異常響聲，且振動(dòng)不斷加劇，揭缸后發(fā)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子第8級(jí)葉片丟落19個(gè)，部分圍帶脫落，第9級(jí)葉片及8、9、10級(jí)部分隔板磨損變形。對(duì)照1998年4月大修記錄，發(fā)現(xiàn)此次丟落的19個(gè)葉片大部分為當(dāng)時(shí)修復(fù)處理過(guò)的葉片。由于此次葉片斷裂事故對(duì)轉(zhuǎn)子損傷較為嚴(yán)重，故把整個(gè)轉(zhuǎn)子送到制造廠修復(fù)。
 

圖1葉片斷裂示意圖



    圖2 疲勞源及裂紋擴(kuò)展（10x）

 

    2 檢查、試驗(yàn)

    2.1 宏觀檢查

    檢查發(fā)現(xiàn)丟落的19個(gè)葉片的斷裂部位均位于葉片倒/形槽根部的橫斷面上（見(jiàn)圖1）。

    肉眼觀察斷口表面呈紅褐色和灰褐色，有銹斑。斷口平坦并分成兩個(gè)區(qū)，其中大面積區(qū)呈光滑狀，小面積區(qū)呈纖維狀，個(gè)別斷口幾乎全部呈光滑狀。拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片根部裝配較松，極易取下。

    2.2 斷口微觀檢查

    斷口經(jīng)超聲波清洗干凈后在掃描電鏡下先以低倍（10倍）觀察，發(fā)現(xiàn)有典型的疲勞斷裂特征，即有三個(gè)區(qū)域組成：疲勞源，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（顆粒狀脆性斷裂區(qū)）和最終快速斷裂韌性纖維區(qū)，其中疲勞源和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占大部分面積。圖2為疲勞源和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，從中能明顯觀察到貝殼狀條紋，這是疲勞斷裂典型特征。進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)斷口有類似臺(tái)階式線段（見(jiàn)圖3、4），這些線段不是平滑的，它是疲勞過(guò)程引起不穩(wěn)定滑移面上快速的裂紋擴(kuò)展造成的。此外，還能觀察到裂紋的存在，且從源區(qū)向心部發(fā)展。在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，則能觀察到顆粒狀脆性斷裂特征（見(jiàn)圖5）。斷口開裂以穿晶斷裂為主，無(wú)沿晶斷裂跡象，也沒(méi)有介質(zhì)腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕斷口形貌。這說(shuō)明快速斷裂區(qū)是以韌窩為主的塑性斷裂。
 

 
  圖3 疲勞源區(qū)


 
  圖4疲勞遠(yuǎn)處的裂紋（150x）

 

    2.3 化學(xué)成分

    分析損壞葉片取樣分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，損壞葉片材料的化學(xué)成分合格。
 

    表1 損壞葉片材料的化學(xué)成分 %
 

    2.4 硬度測(cè)試

    斷裂葉片根部側(cè)面布氏硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表2表明，斷裂葉片的硬度值略偏高，推測(cè)葉片材料的強(qiáng)度較高。
 

    2.5 沖擊試驗(yàn)

    2.6 金相檢查

    選取斷裂葉片根部側(cè)面進(jìn)行金相檢查分析，首先對(duì)未浸蝕的試樣表面進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)倒<形槽的根部還存在微裂紋（微裂紋平直且走向平行于斷口表面）。用氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕試樣表面后觀察其金相組織為具有位向的回火索氏體（見(jiàn)圖6），圖7為帶微裂紋處的金相照片，組織狀態(tài)正常。
 

 
  圖6斷裂葉片根部的金相組織（400x）


   
葉片根部拐角處的金相組織（400x）
 

    3 分析

    （1）斷裂葉片的金相組織為正常的回火索氏體，材料化學(xué)成分合格，主要性能指標(biāo)也基本正常。

    （2）葉片斷裂部位在倒/形槽根部的橫斷面上，亦即在應(yīng)力集中部位，是裂紋源萌生地，斷口具有典型的疲勞斷裂特征，裂紋擴(kuò)展屬穿晶走向。

    （3）葉片根部疲勞斷裂與裝配質(zhì)量有關(guān)，高壓轉(zhuǎn)子葉片安裝時(shí)通常要求根部緊配合，但裂斷的第+級(jí)葉片根部卻是松配合，遂導(dǎo)致葉片在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)并傳至根部，根部與葉輪槽表面產(chǎn)生摩擦，從而使根部表層晶粒持續(xù)滑移帶極易萌生裂紋，即產(chǎn)生疲勞源，隨后裂紋不斷擴(kuò)展，最終造成根部疲勞斷裂。

    （4）斷裂的19個(gè)葉片中，大部分?jǐn)嗫诙紝儆谄跀嗫冢@表明在葉片發(fā)生大面積斷裂前，其根部已產(chǎn)生或大或小的疲勞裂紋，最后導(dǎo)致部分葉片先斷裂，并引起其余葉片提前斷裂。

    4 結(jié)論

    該電廠1號(hào)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子第+級(jí)葉片大面積斷裂的主要原因是裝配時(shí)葉片根部間隙偏大，在運(yùn)行過(guò)程中葉片振動(dòng)引起根部產(chǎn)生疲勞裂紋源，隨著疲勞裂紋的不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。

責(zé)任編輯：班英飛

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