汽轮机低压转子末级叶片断裂分析

斯宝祥，陈石凌，王崇顺

（杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015）

某电厂1台135 MW机组在运行中突然发生汽轮机低压转子末级叶片断裂事故，被迫紧急停机检修。该机组系上海汽轮机厂制造的超高压中间再热冷凝式汽轮发电机组，汽轮机型号为N125-132.24/535/535－A型，主蒸汽参数 13.24 MPa，535℃，1984年投产运行。机组在2000年第6次A级检修时，对低压通流部分进行了改造，改造后机组额定功率达到135 MW，最大出力达到137 MW。

事故发生前机组累计运行159 738 h，启停245次。其中，通流部分改造后的累计运行时间为42 388 h，启停43次。

1 事故经过

叶片断裂前机组负荷129.5 MW、主汽流量418 t/h、主汽温度537℃、压力13.7 MPa，真空、差胀和轴振等参数均正常。某日14∶47，汽机本体突发异响，同时2，3，5，6号轴承振动增大至I值报警，经迅速降温降压、减负荷调整等措施无效后，决定故障停机，于15∶22手动拍车，与系统解列。

停机后揭开低压缸检查，发现汽轮机低压转子末级（第31级）编号为54的叶片在拉金上方断裂，前后相邻的第53，55叶片受到机械损伤而变形。靠近围带前部约200 mm处的一段叶片飞脱落入低压缸下部，汽缸的去湿槽及汽封条部分损坏。

事故发生后，联系生产厂家到达现场处理叶片断裂事故。根据现场情况，更换第53，54，55叶片和第31级叶片拉金全部，所有末级叶片经探伤检查后，机组恢复运行。

2 断裂叶片试验分析

对叶片的设计与运行条件、断裂特征、断口金属等进行多项试验分析，初步查明了断裂原因。

表1 叶片材料的化学成分%

2.1 断裂叶片的宏观描述

通流部分改造后的末级动叶长度为710 mm，叶顶采用自带冠（围带）和拉金结构。叶片断裂部位在距叶根高度约508～512 mm处。

从叶片断口低倍观察，发现在叶片进汽端有一亮点，出汽边方向约1/2断面处目测有贝壳纹。出汽边部位呈拉断状，断口稍有收缩，总体较平直。断裂叶片没有反扭现象或明显变形，拉金和拉金孔没有明显损坏。

2.2 叶片断裂前主要运行参数

分析运行数据可以看出，叶片断裂前，机组在额定负荷附近连续运行，由于真空偏低，主蒸汽流量偏大。转速、加热器水位、蒸汽参数基本稳定，没有发生负荷、真空、加热器水位等大幅度异常波动，也没有相应的人工操作。根据振动突变判别，叶片断裂发生在14∶47，此后热力参数随减负荷操作正常变化。因此，结合叶片断裂特征和运行实时参数，基本可以排除突然发生水击造成叶片断裂的可能。

2.3 叶片断口的金属分析

2.3.1 化学成分和力学性能

经查阅相关技术资料，得到该叶片材料1Cr12Ni2Mo1VN-5（相当于法国牌号C06L-J）的成分及主要力学性能特性，见表1和表2。

表2 C06L-J材料的主要力学性能

由表1可知，叶片材料属于马氏体类型不锈钢，成分中除了V元素的含量偏差较大以外，其余与1Cr12Ni2Mo1VN成分相符。

2.3.2 断口分析

为便于区分，将断口分为A，B，C 3个区域，如图1所示，A区断口平整，呈细瓷状，显示一定的脆性断口特征。B区有一明显的台阶。C区断口表面相对粗糙，显示一定的韧性断口特征。

图1 叶片断口横截面

检查中发现在A区进汽端边缘（图1中黑色圈区）有贝壳纹状，因此对该处做重点检查，A区黑色圈处的放大和宏观照片如图2所示。

图2 A区黑色圈处放大宏观

从图2中明显可以看出，叶片进汽偏内弧侧有明显的月牙形疤痕，疤痕处颜色较深，沿疤痕有清晰的向内扩展的放射状辉纹，并有与疤痕形貌一致的圆弧推进线，由此可以初步判定，此处即为裂纹发生的源点。

A区显示脆性特征的断面与叶片立轴方向基本垂直，说明叶片主要受振动应力、弯应力、拉应力（离心力）作用。而C区断面则与立轴方向呈45°角，此处除受拉应力作用外，还受到剪切力的作用，这是由于裂纹沿疤痕向内扩展到台阶处，导致叶片受力不平衡，而此时因叶片有效截面积大大减小，使叶片绝对强度降低而瞬时断裂。

2.3.3 硬度测试

硬度与脆性有密切关系。为了解叶片表面硬化处理情况，在A区断口下方10 mm处切取试样，分别对叶片断面、内外表面多个部位进行硬度检测，检测结果及变化曲线如图3所示。

图3 A区断口下移10 mm处截面硬度梯度

叶片心部硬度约为388 HV0.1，背弧表面最高硬度达500 HV0.1；测至心部硬化层深度为1.9 mm，内弧表面硬度与心部无明显差异。

2.3.4 断口扫描电镜观察

图4显示疤痕处扫描电镜断口形貌，主要为结晶状断口，此处裂纹沿晶界方向扩展，并有较多球状氧化物出现。

图4 疤痕处断口形貌

图5显示平断口呈放射状辉纹，并多处显示疲劳辉纹，说明裂纹在扩展过程中具有疲劳扩展的特性。

图6为斜断口处形貌，显示呈带状分布的韧带及韧窝，与宏观分析中最后瞬时断裂区韧性断口特征一致。

2.3.5 金相显微分析

图7是断裂叶片的金相显微组织，图中显示叶片心部组织为保留马氏体位向的回火索氏体，基本属于经正常淬火加回火的组织，但其组织相对较粗大，可能对力学性能会有一定的影响。

图5 平断口放射状辉纹处形貌

图6 斜断口处形貌

图7 叶片垂直主轴截面心部组织 200×

图8为叶片疤痕处截面，左侧表面有部分晶粒沿晶脱离；右侧为其外侧粘附的小块金属。离疤痕较近截面显微硬度为461 HV0.1，而粘附金属显微硬度为293 HV0.1，两者硬度差异较大。

图8 叶片疤痕处截面组织 200×

图9为粘附金属块金相组织，呈铸态组织特征。能谱分析结果表明，粘附金属块中主要元素成分为Fe、Cr、Mn等，其中Cr元素含量明显高于叶片基体材料。因此初步判定，叶片进汽端疤痕处的粘附金属块属于外来高温熔化粘附的异体金属。

图9 粘附金属块金相组织 500×

3 金属试验结果

通过金属试验后得出以下试验结果：

（1）叶片材料化学成分和力学性能基本符合1Cr12Ni2Mo1VN钢。

（2）材料中未见异常非金属夹杂物，但金相组织较粗大，长期在高温下运行对叶片的力学性能可能会产生一定影响。

（3）叶片进汽端存在明显疤痕，叶片断裂与疤痕有关，裂纹开始于疤痕处。

（4）裂纹扩展具有疲劳裂纹扩展特征。

（5）疤痕处粘附的小块金属呈现铸态特征，其硬度、金相组织及能谱分析结果与叶片基体材质不一致，确定为外来异种金属高温熔化粘附。

4 叶片断裂的原因分析

通过金属试验分析，结合运行参数及故障特征，分析得出以下结论：

（1）排除叶片受水击断裂损坏的可能性。因为水击往往发生在机组启动时，而此次叶片断裂则是在正常运行的工况下发生的。

（2）在该叶片进汽侧高度约508 mm处，发现小块粘附金属，从断口的形貌及裂纹扩展特征判断，该处应是裂纹发生的源点。

（3）小块粘附金属的硬度、金相组织及能谱分析数据与叶片基体材质差异较大，因此确认为外来异体金属。从图2可见，在粘附金属附近有明显的月牙形痕迹，这是与高温热源接触所致。而粘附金属呈铸态金相组织，因此判断可能是叶片制造过程中与某种高温热源接触，局部区域温度急剧升高导致外来金属熔化并粘附。在第54片断裂叶片处，正好是两处拉金的焊接点，焊接时稍不注意就会碰上叶片，这与粘附金属的铸态组织特征及与疤痕形貌一致的圆弧推进线相符。

（4）由于外来金属块在高温条件下与叶片粘附，使叶片在该位置的金相组织发生变化，降低了材料强度和抗振能力，成为疲劳裂纹形成和扩展的源点。从图8中还可以看出有部分金属组织过烧沿晶脱离，为裂纹的形成创造了条件。

（5）叶片受蒸汽作用力冲击发生振动，以裂纹源为起点逐渐扩展，由于围带与拉金的减振作用，疲劳裂纹的形成和扩展比较缓慢，故疲劳端口平整、呈细瓷状，裂纹扩展过程呈现疲劳扩展的特征。

（6）当疲劳裂纹缓慢扩展到一定程度以后，使裂纹部位承载能力大大降低，最终在综合应力的联合作用下，叶片迅速撕裂，以致断口表面相对粗糙，并显示一定的韧性断口特征。

[1] 浙江大学金属材料检测中心.汽轮机叶片断裂分析检验报告[R].2005.