在電廠的所有失效事故中，汽輪機(jī)葉片失效所占比例最大。疲勞斷裂是汽輪機(jī)葉片失效類型中最常見的一種。汽輪機(jī)葉片所處的工況條件及環(huán)境極為惡劣，主要表現(xiàn)在應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等方面。當(dāng)葉片發(fā)生斷裂時(shí)，斷口往往出現(xiàn)在葉片中部和葉片根部。在工作過程中，汽輪機(jī)動(dòng)葉片承受的是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力引起的拉應(yīng)力，蒸汽流壓力引起的彎曲應(yīng)力和扭力；葉片受激振力作用會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，甚至引起共振，復(fù)雜的交變應(yīng)力最終會(huì)導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。汽輪機(jī)的每一級(jí)葉片工作溫度都不相同，第一級(jí)葉片所處的溫度最高（500℃以上），隨后由于蒸汽逐級(jí)作功，溫度逐級(jí)降低，至末級(jí)葉片會(huì)降到100℃以下，蒸汽在汽輪機(jī)運(yùn)行中易在末級(jí)葉片處凝結(jié)成小水滴，若蒸汽內(nèi)存在腐蝕性元素，會(huì)與水形成電解液，吸附在葉片表面，形成微電池，造成電化學(xué)腐蝕。這些局部腐蝕點(diǎn)將成為葉片的薄弱點(diǎn)，失效也往往從這里起源。

圖1 汽輪機(jī)葉片斷裂形式

某電廠在汽輪機(jī)檢修過程中發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)末5級(jí)（共17級(jí)）多處葉片斷裂。斷裂汽輪機(jī)葉片如圖1所示，圖1a）為葉片從根部斷裂，圖1b）為葉片從中部斷裂。為分析葉片斷裂原因，筆者對(duì)斷裂葉片進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。

理化檢驗(yàn)

宏觀分析

取4片汽輪機(jī)斷裂葉片進(jìn)行分析，目視檢查發(fā)現(xiàn)其中3片葉片斷裂位于葉片根部，1片葉片斷裂位于葉片中部，將葉片根部斷裂的3片葉片分別命名為1，2，3號(hào)試樣，將葉片中部斷裂的葉片命名為4號(hào)試樣，4個(gè)試樣的斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖2 葉片斷口宏觀形貌

根據(jù)斷口形貌可將葉片斷面分為A，B，C3個(gè)區(qū)域，葉片斷面A區(qū)到B區(qū)較為平整，顏色從青黑色向青灰色過渡，判斷A區(qū)為斷裂源區(qū)；斷面B區(qū)存在貝殼狀花紋，可判斷B區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)；斷面C區(qū)存在呈45°方向的剪切唇形貌，為瞬斷區(qū)典型特征；該4片斷裂汽輪機(jī)葉片的斷口均為典型的疲勞斷口，其中1號(hào)試樣斷口表面被白色物質(zhì)覆蓋。

金相檢驗(yàn)

對(duì)4號(hào)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其顯微組織形貌如圖3所示，可見其顯微組織為回火索氏體，為正常顯微組織。

圖3 葉片顯微組織形貌

斷口微觀分析

對(duì)1~4號(hào)試樣斷口表面進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 斷口SEM形貌

可見1~3號(hào)試樣斷面上存在大量腐蝕產(chǎn)物；4號(hào)試樣斷裂源區(qū)存在大量腐蝕坑，有較多二次裂紋，并具有泥紋花樣。

斷口能譜分析

對(duì)1號(hào)試樣的斷口表面白色附著物及2~4號(hào)試樣的斷口表面進(jìn)行能譜（EDS）分析，結(jié)果見圖5及表1，可見斷口表面存在鈉、氯、硫等腐蝕敏感元素。

圖5 汽輪機(jī)葉片斷口的EDS分析位置和EDS譜

表1 汽輪機(jī)葉片斷口EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

分析與討論

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，葉片材料的顯微組織為回火索氏體，為正常顯微組織；由宏觀分析可知，葉片斷面形貌可清晰地分為斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。裂紋擴(kuò)展區(qū)存在貝殼狀花紋，瞬斷區(qū)呈45°方向的剪切唇形貌，為典型的疲勞斷口形貌；由SEM和EDS分析可知，斷面存在大量腐蝕產(chǎn)物，有較多二次裂紋，并具有泥紋花樣，存在鈉、氯、硫等腐蝕敏感元素，表明該汽輪機(jī)葉片斷裂屬于典型的腐蝕疲勞斷裂。

隨著過熱蒸汽的膨脹作功，末幾級(jí)葉片工作溫度逐漸降低（60~100℃），壓力逐漸減小，蒸汽在此處易凝結(jié)成小水滴，蒸汽環(huán)境中的Cl－，S2－，Na＋等在液態(tài)水中濃縮聚集，形成電解液，被葉片金屬吸附在表面，從而形成微電池，葉片上產(chǎn)生局部點(diǎn)腐蝕，形成腐蝕疲勞源。汽輪機(jī)葉片承受巨大離心力引起的拉應(yīng)力（靜應(yīng)力）和蒸汽流的壓力作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和扭力，同時(shí)激振力致使產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)甚至引起共振，使得汽輪機(jī)葉片承受的交變應(yīng)力急劇增加。在上述周期性交變應(yīng)力的作用下，葉片產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展，最終因強(qiáng)度不足而斷裂；一處葉片斷裂后，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡遭到破壞，振動(dòng)陡增，加之?dāng)嗔讶~片的撞擊，加速了其余葉片的斷裂。

該汽輪機(jī)末5級(jí)葉片位于機(jī)組低壓加熱器的進(jìn)汽口之間，且低壓加熱器未投入運(yùn)行。在運(yùn)行過程中蒸汽不可避免進(jìn)入低壓加熱器進(jìn)汽口，蒸汽在低壓加熱器的進(jìn)汽口附近極易凝結(jié)成液態(tài)水，并伴隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，液態(tài)水同蒸汽一同作用于葉片表面，加劇動(dòng)葉片汽蝕。為方便敘述，特將此現(xiàn)象類比我國古代灌溉工具水車命名為“水車”現(xiàn)象。汽輪機(jī)某些葉片經(jīng)常處于類似于此類位置的加熱器或者閥門處，蒸汽不可避免地會(huì)在此類位置凝結(jié)成水，加劇了汽輪機(jī)葉片的汽蝕。

結(jié)論及建議

該汽輪機(jī)葉片斷裂屬于典型的腐蝕疲勞斷裂，蒸汽與Cl－，S2－，Na＋等在葉片上產(chǎn)生局部點(diǎn)腐蝕，形成腐蝕疲勞源，同時(shí)因葉片存在離心力和蒸汽壓力等復(fù)雜的周期性交變應(yīng)力，最終造成了汽輪機(jī)葉片的腐蝕疲勞斷裂。

建議加強(qiáng)水質(zhì)的控制與監(jiān)測(cè)，減少水中的腐蝕性離子；在運(yùn)行過程中要避免急啟、急停和工況的大幅變化，盡量減小交變應(yīng)力和機(jī)組振動(dòng)。