岳興華 王學(xué)芳

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

某核電廠1、2 號(hào)汽輪機(jī)型號(hào)為HN642-6.41，由X汽輪機(jī)廠與原美國(guó)西屋電氣公司（以下簡(jiǎn)稱“西屋”）聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造；3、4 號(hào)汽輪機(jī)型號(hào)HN650-6.41，由X 汽輪機(jī)廠延續(xù)西屋公司設(shè)計(jì)、X 汽輪機(jī)廠制造。

2012 年11 月9 日，某核電廠2 號(hào)機(jī)組因汽輪機(jī)低壓缸轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片斷裂導(dǎo)致緊急停機(jī)， 隨后機(jī)組轉(zhuǎn)入小修。 出于對(duì)機(jī)組安全的考慮，后續(xù)大修期間，對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行了詳細(xì)的檢查。 葉片材料選用17-4PH 沉淀硬化 不 銹 鋼 材 質(zhì)（0Cr17Ni4Cu4Nb/755）， 在 末 三 級(jí)（5 ～7級(jí)） 自由葉片葉頂安裝有防水蝕的司太立合金片，司太立合金片與葉片母材采用銀釬料焊接方式。 在檢查過程中， 除葉根部位發(fā)現(xiàn)缺陷外， 還發(fā)現(xiàn)了司太立合金片部位的缺陷。

說明：葉片故障后歷次大修檢查情況如下

2012 年：2 號(hào)機(jī)組停機(jī)小修，查出葉片葉根斷裂故障；

2013 年：1、2、4 號(hào)機(jī)組大修，查出葉根裂紋；

2013 年：3 號(hào)機(jī)組大修，首次查出司太立合金片缺陷問題；

2014 年：4 號(hào)機(jī)組大修，查出司太立合金片缺陷；

2014 年：1 號(hào)機(jī)組大修，查出葉根裂紋；

2014 年：2 號(hào)機(jī)組大修，查出司太立合金片缺陷。

截至2014 年底，已經(jīng)檢查出的司太立合金片缺陷類型以及缺陷數(shù)量，汽輪機(jī)低壓缸末三級(jí)葉片司太立合金部位缺陷統(tǒng)計(jì)（總計(jì)77 片）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，有缺陷的葉片均為X 汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，西屋產(chǎn)葉片尚沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。 為分析X 汽輪機(jī)廠葉片司太立合金缺陷產(chǎn)生的根本原因， 選取了1 片缺陷已貫穿至葉身母材的X 汽輪機(jī)廠制造葉片進(jìn)行了系統(tǒng)失效分析，并通過廠家葉片制造工藝調(diào)研，分析得到X 汽輪機(jī)廠產(chǎn)葉片司太立合金片開裂的根本原因，針對(duì)原因，提出了對(duì)策建議。

1 葉片司太立合金片缺陷原因分析過程

1.1 司太立合金片樣品的選取

選取了3 號(hào)機(jī)組（X 汽輪機(jī)廠制造）裂紋已貫穿至葉身母材的62 號(hào)缺陷葉片進(jìn)行系統(tǒng)分析。 62 號(hào)葉片宏觀形貌缺陷，葉盆裂紋和葉背裂紋兩種情況。

1.2 葉片本體宏觀檢查

按照GB/T20967“無損檢測(cè)-目視檢測(cè)總則”對(duì)葉片樣品進(jìn)行了目視和體視顯微鏡檢測(cè)，檢測(cè)信息內(nèi)容如下：

62 號(hào)葉片目視檢查情況：

1）葉片表面呈黑灰色，局部發(fā)亮并有著色探傷的痕跡，葉身有縱向一道道黑色印記，葉片表面有噴丸處理；

2） 裂紋位于進(jìn)汽邊距葉頂約150mm 的司太立合金片底部的釬焊區(qū)，內(nèi)弧側(cè)裂紋長(zhǎng)約32mm，背弧側(cè)裂紋長(zhǎng)約27mm；

3）釬焊司太立合金溝槽很不規(guī)則， 用釬焊料添充， 釬焊料外表面有水蝕孔洞形成；

4） 裂紋兩側(cè)有打磨的痕跡。

1.3 葉片橫截面檢查

62 號(hào)葉片內(nèi)弧和背弧面釬焊槽的根部修正的很不規(guī)則，過渡處基本呈直角過渡， 但經(jīng)廠家調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 西屋產(chǎn)葉片內(nèi)弧和背弧面釬焊槽的加工情況較圓滑。

1.4 斷口分析

1.4.1 斷口宏觀分析

用線切割的方法將葉片的裂紋打開，62 號(hào)葉片斷口宏觀形貌分析如下：

1） 司太立合金片始裂區(qū)位于司太立合金片內(nèi)部修整不規(guī)則尖角處， 司太立合金斷面呈光亮色， 發(fā)散棱線明顯；

2）葉片基材是多源的，裂紋源區(qū)分別位于釬焊司太立合金片溝槽內(nèi)側(cè)和溝槽拐角過渡尖點(diǎn)處，源區(qū)斷面都高低起伏，呈黑灰色，可見收斂于裂紋源區(qū)的發(fā)散棱線，向葉片出汽邊及葉盆處發(fā)散；

3）基材側(cè)面裂紋源區(qū)側(cè)面有加工刀痕，進(jìn)汽邊源區(qū)存在尖點(diǎn)；

4）基材斷面擴(kuò)展區(qū)較為平坦，基材擴(kuò)展區(qū)斷面較為細(xì)密，有清晰的貝紋線；

5）釬焊料斷面呈黃色和黑色，基材斷面呈黑灰色，氧化嚴(yán)重。

1.4.2 斷口微觀分析

斷口微觀形貌：電子顯微鏡下觀察葉片斷面微觀形貌，62 號(hào)葉片斷口微觀形貌分析如下：

1）司太立合金片裂紋源A 區(qū)存在尖點(diǎn)，發(fā)散棱線明顯；

2） 基材B、C、D 裂紋源區(qū)低倍下都可見放射狀條紋，放射狀條紋向出汽邊側(cè)和葉盆處延伸；

3）B、C、D 裂紋源區(qū)斷面上都略有磨損，D 裂紋源區(qū)存在尖點(diǎn)；

1）基材上裂紋擴(kuò)展區(qū)高倍下都可見疲勞條紋，方向垂直于裂紋擴(kuò)展方向；

2）B 區(qū)和C 區(qū)司太立合金片和葉片基材之間釬焊料約20μm。

能譜測(cè)試：用能譜分析儀對(duì)清洗后的司太立合金斷口及葉片基材未清洗斷口進(jìn)行微區(qū)成分分析， 測(cè)試結(jié)果見表1 和表2。 從表7 中數(shù)據(jù)可見，葉片司太立合金及基材斷面氧化嚴(yán)重，司太立合金片裂紋源區(qū)有基材成分。

表1 ：葉片司太立合金片斷口能譜分析結(jié)果 （Wt%）Tab.1:The blade stel lite alloy slices eds.the analysis results （Wt%）

表2 ：葉片基材斷口能譜分析結(jié)果 （Wt%）Tab.2:Energy spectrum analysis results of blade matrix fracture （Wt%）

1.5 材質(zhì)分析

在葉片上取樣，檢驗(yàn)葉片材質(zhì)的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織。 金相部位3 個(gè)、拉棒2 個(gè)、沖擊硬度2個(gè)、化學(xué)1。

1.5.1 化學(xué)成分分析

按照GB/T223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)葉片進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)葉片材質(zhì)的化學(xué)成分符合0Cr17Ni4Cu4Nb 材質(zhì)的技術(shù)要求。

1.5.2 力學(xué)性能

按照GB/T228“金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法”，GB/T231“金屬布氏硬度試驗(yàn)方法”，GB/T229“金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法”[3，4]，通過拉伸、硬度、沖擊試驗(yàn)，葉片鋼室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3，由表3 可見，葉片鋼室溫力學(xué)性能符合技術(shù)要求。

表3 ：葉片鋼室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3:Test results on the mechanical properties of blade steel at room temperature

1.5.3 金相組織

分別在葉片葉身和葉根上取樣，利用金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)[5]，檢驗(yàn)結(jié)果見表4，由金相檢驗(yàn)結(jié)果可見，葉片鋼金相檢驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)要求。

表4 ：金相檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4:Metallographic examination results

1.6 應(yīng)力測(cè)試

用應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)葉片裂紋兩側(cè)表面的不同位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試位置為葉盆處兩側(cè)各取兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，葉背處兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，經(jīng)過測(cè)試結(jié)果可見，裂紋兩側(cè)的殘余應(yīng)力都為較大的壓應(yīng)力，但很均勻。

1.7 葉片制造工藝分析

經(jīng)查閱資料，并赴X 汽輪機(jī)廠調(diào)研。 發(fā)現(xiàn)X 汽輪機(jī)廠產(chǎn)葉片加工工藝、 焊接工藝和焊接過程溫度控制存在以下問題：

1）司太立合金槽根部設(shè)計(jì)有R9.56 倒圓，但實(shí)際加工中由于采用四軸加工，通過鉗修實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

2）司太立合金片高頻釬焊焊接過程中溫度要求控制在745－845 ℃左右， 但由于測(cè)溫和控溫裝置手段限制，實(shí)際溫度控制存在偏差情況，經(jīng)調(diào)查X 汽輪機(jī)廠釬焊一次合格率整體偏低（約30%左右）。 大部分葉片都存在冷卻后火焰補(bǔ)焊情況。

2 分析結(jié)論

綜合以上分析過程，對(duì)于缺陷的原因，得出以下結(jié)論：

1）62 號(hào)低壓次末級(jí)葉片司太立合金片上的裂紋為疲勞裂紋；

2）產(chǎn)生疲勞裂紋與葉片材質(zhì)的冶金質(zhì)量無關(guān)；

3）低壓次末級(jí)葉片產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因是：在運(yùn)行情況下，司太立合金片及司太立合金槽存在尖點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)和葉片承受較為復(fù)雜的振動(dòng)應(yīng)力；

4）司太立合金片安裝槽加工工藝不達(dá)標(biāo)，退刀槽為直角，不滿足設(shè)計(jì)要求，存在應(yīng)力集中；

5）釬焊質(zhì)量控制不良，在一定程度上促進(jìn)了缺陷的產(chǎn)生。

3 優(yōu)化改進(jìn)建議

3.1 優(yōu)化改進(jìn)要解決的問題

解決次末級(jí)葉片司太立合金槽退刀槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中過大及釬焊質(zhì)量欠缺問題，從而避免次末級(jí)葉片司太立合金片部位葉片基材開裂缺陷的發(fā)生。

3.2 改進(jìn)方法

1）改進(jìn)釬焊設(shè)備，增加測(cè)溫和控溫裝置手段，高頻釬焊過程中溫度控制要均勻， 防止釬焊過程中溫度偏差過大；

2） 釬焊后對(duì)于不滿足驗(yàn)收要求的葉片必須實(shí)施熱補(bǔ)焊處理， 即在高頻釬焊機(jī)上焊完后必須馬上進(jìn)行火焰手工補(bǔ)焊，不允許葉片冷卻后再進(jìn)行火焰補(bǔ)焊；

3） 采用更為先進(jìn)的葉片加工方法， 保證葉片司太立合金片釬焊槽底部及退刀槽為圓滑過渡， 滿足設(shè)計(jì)倒圓要求；

4） 葉片司太立合金焊接完成后增加噴丸處理工藝，改善殘余應(yīng)力狀態(tài)。