楊 毅

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

某電廠300MW燃煤發(fā)電機組B級檢修時，發(fā)現(xiàn)汽輪機低壓轉(zhuǎn)子第32級動葉片上有一條垂直于葉片徑向的貫穿性裂紋，該裂紋長約25 mm，距葉片頂端180 mm，如圖1和圖2所示。葉片材料為1Cr12Ni2Mo1VN-5鋼，是一種12% Cr型馬氏體耐熱不銹鋼，出廠熱處理方式是1 120 ℃淬火保溫60 min，然后680 ℃回火保溫120 min，再去應力。葉片工作介質(zhì)是經(jīng)中壓缸做功后的再熱蒸汽，溫度約320 ℃，壓力約0.8 MPa。調(diào)查發(fā)現(xiàn)機組檢修前運行參數(shù)無異常，運行過程中監(jiān)測的汽輪機轉(zhuǎn)子震動數(shù)據(jù)正常。為保證汽輪機安全運行，防止同類葉片斷裂事故再次發(fā)生，對該失效葉片進行一系列的理化檢驗，分析了裂紋產(chǎn)生的原因。

圖1 汽輪機葉片上裂紋的位置

1 理化檢驗與結(jié)果

對失效葉片按照相關試驗標準進行了宏觀分析、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡觀察、能譜分析、硬度檢測、常溫拉伸試驗和沖擊試驗。

1.1 宏觀分析

對失效葉片的表面和裂紋處進行宏觀觀察，結(jié)果如圖3～5所示。結(jié)果表明，在葉片背面和出汽側(cè)邊緣有許多點蝕坑，其中最大的點蝕坑位于排汽側(cè)邊緣，直徑約3 mm，深度約1.5 mm，由3個小的點蝕坑聚集而成。由裂紋粗細判斷，裂紋起源于該最大蝕坑的底部，裂紋較平直，擴展方向性強，沿葉片橫向由排汽側(cè)向進汽側(cè)方向擴展，總長度25 mm；裂紋在擴展過程中產(chǎn)生數(shù)條細小分枝，整體形貌呈細長干枯樹枝狀，裂紋附近葉片無明顯塑性變形，屬于脆性斷裂。葉片其他部位未見裂紋。裂紋斷面粗糙，有人字花樣，根據(jù)人字花樣的方向也可推斷出裂紋起源于葉片出汽側(cè)邊緣的點蝕坑底部；裂紋擴展區(qū)斷面整體顏色灰暗，且伴有次生裂紋。斷面宏觀形貌呈脆性特征，未見明顯白點和疲勞紋。

圖3 失效葉片表面的點蝕坑

圖4 裂紋末段宏觀形貌

圖5 裂紋斷面的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

從距失效葉片出汽測邊緣和頂端邊緣30 mm的角點處鉆孔取樣，進行化學成分分析，分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，該失效葉片的化學成分符合廠家標準要求。

表1 失效葉片的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

1.3 微觀檢驗

1.3.1 微觀形貌

在光學顯微鏡下觀察裂紋的微觀形貌，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，裂紋整體形貌呈枯樹枝狀，擴展方向性明顯，一條主裂紋大致垂直于葉片徑向，擴展較快，其他分支裂紋擴展較慢。根據(jù)這一特征可以將應力腐蝕與腐蝕疲勞、晶間腐蝕以及其他形式的斷裂區(qū)分開來[1]。

(a) 裂紋中段

(b) 裂紋末段

采用掃描電鏡觀察裂紋斷面的微觀形貌，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，整個斷面上有很厚的腐蝕產(chǎn)物堆積，遮蓋了斷口形貌。用5%(質(zhì)量分數(shù))乙二胺四乙酸溶液對裂紋斷面進行超聲波清洗后，再進行觀察，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，斷面的裂紋擴展區(qū)整體呈冰糖狀形貌，表面帶有大量腐蝕坑，并伴隨大量沿晶二次裂紋，這說明裂紋擴展方式為沿晶擴展。在裂紋擴展區(qū)域未發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，斷口不具備疲勞特征。

1.3.2 腐蝕產(chǎn)物

在裂紋斷面清洗前，分別對裂紋起源點蝕坑內(nèi)(圖9)和裂紋擴展區(qū)表層(圖10)的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析。結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要成分是氧，兩處分析區(qū)域的氧含量均大于51%(質(zhì)量分數(shù)，下同)；點蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物中硫含量為0.92%，氯含量為0.96%；裂紋擴展區(qū)表層腐蝕產(chǎn)物中硫含量為0.84%，氯含量為0.85%。

圖7 清洗前裂紋斷面的微觀形貌

圖8 清洗后裂紋斷面的微觀形貌

圖9 點蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置

圖10 裂紋擴展區(qū)表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置

1.3.3 微觀組織

在裂紋附近葉片中間部位沿徑向取樣，在徑向截面上進行夾雜物檢查。結(jié)果表明，失效葉片組織中A、B、C、D四類非金屬夾雜物評定結(jié)果均為1級[2]，符合GB/T 8732-2014標準[3]要求。

根據(jù)GB/T 6394-2002標準[4]，在上述非金屬夾雜物試樣的橫向截面上檢測葉片的晶粒度。結(jié)果表明，其平均晶粒度為6.5級，不含有1級或更粗的晶粒，符合GB/T 8732-2014標準[3]要求。

根據(jù)GB/T 13298-2015標準[5]對失效葉片進行金相檢驗。取樣位置為裂紋末段區(qū)域和葉片根部中心，腐蝕劑為氯化鐵鹽酸水溶液，結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：裂紋分支處、裂紋末端和遠離裂紋的葉根中心位置的組織均為回火馬氏體，根據(jù)葉片熱處理參數(shù)和廠家標準，失效葉片的組織無明顯異常；裂紋末段附近分叉明顯，伴有次生裂紋，裂紋尖端較銳利。在裂紋擴展區(qū)之外的區(qū)域抽取了5個點進行檢驗，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)晶間裂紋。

(a) 裂紋分支附近 (b) 裂紋末端附近 (c) 葉片根部附近

1.4 力學性能試驗

在失效葉片的葉身表面沿軸向中心線選4個點(距離葉片頂端約60 mm處為第1個測點，向葉根方向每隔100 mm取1個測點)進行硬度檢測。對每個測點處的正面和背面兩側(cè)進行布氏硬度檢測。結(jié)果表明，失效葉片的平均硬度為298 HB，各測點之間硬度偏差不超過10 HB，符合生產(chǎn)廠家標準要求(285～325 HB)。

在失效葉片上進汽側(cè)較厚部位沿徑向取3個圓形橫截面短比例試樣，進行常溫拉伸試驗[6]。結(jié)果表明，其平均抗拉強度(Rm)為1 000 MP，規(guī)定非比例延伸強度(Rp0.2)為860 MP，斷后伸長率(A)為17.5%，符合葉片生產(chǎn)廠家標準要求(930 MPa≤Rm≤1 130 MPa，Rp0.2≥780 MPa，A≥14%)。

在失效葉片上緊靠葉根部位沿徑向取3個標準V型缺口夏比沖擊試樣，按GB/T 229-1994標準[7]進行沖擊試驗。結(jié)果表明，葉片徑向沖擊吸收功AkV分別為126.3，126.3，130.0 J/cm2，均符合廠家標準要求(AkV≥62.5 J/cm2)。

2 失效原因分析

經(jīng)分析，失效葉片的化學成分、微觀組織和力學性能等均無異常，這排除了因材料本身原因造成開裂的可能。

該汽輪機已運行了12 a，本次是首次萌生裂紋，在調(diào)查了解了其他12臺類似設計結(jié)構(gòu)的機組后發(fā)現(xiàn)，葉片斷裂并非普遍現(xiàn)象，因此排除由葉片設計結(jié)構(gòu)原因造成開裂的可能。

失效葉片的裂紋宏觀和微觀形貌具有典型的應力腐蝕特征。應力腐蝕一般起源于表面缺陷處，且具備三大必要條件：對應力腐蝕敏感的金屬、化學介質(zhì)和拉應力。失效葉片的裂紋起源于葉片邊緣的蝕坑處，且具備應力腐蝕三大必要條件：1Cr12Ni2Mo1VN屬于對S和Cl腐蝕敏感的馬氏體不銹鋼；腐蝕產(chǎn)物中檢測到S2-和Cl-，說明該葉片所處環(huán)境中存在應力腐蝕所需的化學介質(zhì)；葉片工作時主要承受由葉片高速圓周運動的離心力引起的沿葉片徑向的拉應力，這提供了應力腐蝕所需的拉應力。因此，失效葉片的裂紋是應力腐蝕所致。

葉片工作環(huán)境的介質(zhì)是經(jīng)過鍋爐加熱加壓的高溫蒸汽。為查清環(huán)境中S2-和Cl-的來源，查閱了電廠最近幾次水汽系統(tǒng)水樣分析報告，發(fā)現(xiàn)機組檢修前約2個月的一次水樣分析結(jié)果異常，具體分析結(jié)果如表2所示。此次檢測中，Cl-含量為2.3 μg/L，超過GB/T 12145-2016標準[8]規(guī)定的標準值(≤2 μg/L)，所以機組有發(fā)生腐蝕、結(jié)垢和積鹽等危險。由于該標準沒有對鍋爐給水、水汽系統(tǒng)水和循環(huán)水中S2-含量提出要求，故無法從此前的水質(zhì)分析報告中查到S2-含量。通常，1Cr12Ni2Mo1VN鋼具有良好的耐蝕性，其表面會形成一層鈍化膜,防止金屬進一步受到腐蝕。但是，當蒸汽中含有Cl-時，葉片表面的鈍化膜也會受到侵蝕，從而產(chǎn)生點蝕小坑。

表2 機組水汽系統(tǒng)水樣分析結(jié)果

大量研究表明，不銹鋼存在發(fā)生應力腐蝕的臨界應力，常用σSCC表示，當不銹鋼中的應力低于該值時，不銹鋼不會產(chǎn)生應力腐蝕開裂，σSCC的數(shù)值大小因介質(zhì)種類、濃度、溫度、材料成分不同而不同[9]。

葉片工作時，若S2-和Cl-含量不超標，無表面缺陷處的工作拉應力σn<σSCC，不會發(fā)生應力腐蝕。當葉片表面存在點蝕小坑時，由于點蝕小坑能引起應力集中，導致此處的應力腐蝕臨界應力比無缺陷光滑葉片處的?。煌瑫r，點蝕小坑底部會富集S2-和Cl-等腐蝕介質(zhì)，使得小坑底部腐蝕介質(zhì)的含量比外部大很多，進一步降低了此處發(fā)生應力腐蝕開裂所需的臨界應力。在以上兩方面因素綜合作用下，點蝕小坑底部的應力腐蝕臨界應力遠遠小于葉片其他正常部位的。

失效葉片裂紋起源處的點蝕坑是由3個點蝕小坑聚集而成，其底部結(jié)構(gòu)復雜、起伏度大，應力集中比葉片其他任何位置都大，因此此處的應力腐蝕臨界應力最小，葉片工作時離心力引起的拉應力大于此處的應力腐蝕臨界應力，因而產(chǎn)生應力腐蝕，萌生裂紋。

晶體結(jié)構(gòu)是影響應力腐蝕裂紋走向的主要因素，體心立方結(jié)構(gòu)金屬材料的應力腐蝕以沿晶開裂為主[9]。失效葉片的組織是回火馬氏體，屬于體心立方的晶體結(jié)構(gòu)，所以其應力腐蝕裂紋易以沿晶開裂的形式擴展。一般來說，當應力較小、腐蝕介質(zhì)較弱時，應力腐蝕裂紋多呈沿晶擴展[9]。汽輪機葉片設計時考慮了應力腐蝕等可能的失效方式，因此已進行了去應力處理。在腐蝕介質(zhì)含量超標和點蝕小坑應力集中的雙重作用下，失效葉片工作拉應力達到了發(fā)生應力腐蝕的臨界值，從而產(chǎn)生應力腐蝕，但是與應力腐蝕裂紋擴展所需的應力相比，葉片實際工作拉應力不大。因此，在晶體結(jié)構(gòu)和應力較小雙方面因素影響下，應力腐蝕裂紋萌生后，裂紋以沿晶的方式進行擴展。

裂紋萌生后，葉片工作時，裂紋尖端的應力集中始終存在，腐蝕性離子也不停滲入裂紋縫隙，造成局部腐蝕介質(zhì)含量高，鈍化膜不能修復，裂紋便以沿晶的方式沿垂直于拉應力方向逐步向縱深擴展，最終發(fā)展成檢驗時發(fā)現(xiàn)的長25 mm的裂紋。

3 結(jié)論與建議

汽輪機葉片長期運行過程中，不可避免地產(chǎn)生點蝕小坑。由于運行過程中有一段時間鍋爐水質(zhì)控制不嚴，導致汽水中的S2-和Cl-含量超標，使對S2-和Cl-腐蝕敏感的馬氏體不銹鋼低壓動葉片工作在腐蝕介質(zhì)中，在離心拉應力的作用下，最終在應力集中最大的葉片邊緣最大蝕坑底部產(chǎn)生應力腐蝕開裂。

根據(jù)應力腐蝕產(chǎn)生機理，應力腐蝕預防一般從材料、化學介質(zhì)、應力和應力腐蝕發(fā)源點(多為表面缺陷，表現(xiàn)為應力集中)四方面著手。一般認為，所有合金鋼對應力腐蝕都有不同程度的敏感性，鋼中碳含量為0.12%(質(zhì)量分數(shù))左右時，應力腐蝕敏感性最大[10]。葉片工作過程中必定會受到離心力引起的拉應力，汽輪機長期運行后，葉片表面難以避免地會產(chǎn)生點蝕小坑。因此，從電廠實際生產(chǎn)出發(fā)，預防應力腐蝕應主要從化學介質(zhì)和消除應力集中著手。

(1) 建議嚴格控制鍋爐用水質(zhì)量，定期進行水質(zhì)鑒定，并增加對水中S2-含量的監(jiān)測，在技術和成本允許的情況下，盡量降低S2-和Cl-含量。同時，Cl-是導致葉片產(chǎn)生點蝕的重要因素，降低控制Cl-含量不僅能從化學介質(zhì)的角度防止應力腐蝕開裂，而且能一定程度防止汽輪機葉片的點腐蝕。點蝕小坑的減少，有利于從應力腐蝕發(fā)源點預防應力腐蝕。另外，pH下降會使不銹鋼的應力腐蝕敏感性增加[11]，建議按行業(yè)標準要求嚴格控制鍋爐水的pH。

(2) 聯(lián)系汽輪機葉片廠家，對葉片表面結(jié)構(gòu)復雜、集中應力較大的點蝕坑進行消除修補處理。

(4) 建議加大該機組汽輪機葉片的監(jiān)督檢驗，增加其他葉片表面探傷檢測。