1Mn18Cr18N钢护环裂纹性质和材质状态分析

2011-06-03张红军朱立春于在松唐丽英

大电机技术 2011年5期

张红军，朱立春，于在松，唐丽英

（西安热工研究院有限公司, 西安 710032）

1 引言

护环是汽轮发电机组的主要部件之一，它对转子端部绕组起着固定、保护、防止变形、位移和偏心作用。护环承受转子绕组端部及自身的巨大离心力、弯曲应力及热套应力等，此外护环钢采用形变强化，具有一定的残余应力，它是汽轮发电机组承受应力最高的部件。为了保证机组的安全运转，护环要有足够高的强度、高的塑性指标、均匀的力学性能和最小的残余应力。对于 300MW 以上机组护环的屈服强度要求在1000MPa以上。护环是在强磁场和腐蚀介质中工作，工作温度在100℃以下，为减少端部线圈电流损失和防止工作温度过高，护环一般采用奥氏体钢制造。

由于护环特殊的工况和使用条件，需要其具有较高的抗应力腐蚀能力。80年代前，护环基本用50Mn18Cr4系列钢制造，经过几十年的运行实践，发现50Mn18Cr4系列钢的抗应力腐蚀能力较差，出现过多起应力腐蚀开裂事故。为此，国内外相继开发了1Mn18Cr18N系列钢，塑性和抗应力腐蚀能力有较大提高[1～4]。目前国内的300MW以上发电机护环基本上均采用1Mn18Cr18N系列钢，有关标准对其性能作了明确要求[5]。

一些公开发表的文献对50Mn18Cr4系列钢护环的应力腐蚀开裂现象的报道较多[6，7]，对1Mn18Cr18N钢应力腐蚀性能的试验研究也不少，但未见实际使用1Mn18Cr18N钢护环的应力腐蚀开裂报道。本文对某电厂300MW燃煤发电机1Mn18Cr18N钢护环的裂纹性质和材质状态进行了分析。

2 护环开裂情况

某电厂300MW燃煤发电机组累计运行5万余小时，共启停123次。在发电机护环检验中，发现励侧护环本体侧外表面存在多处裂纹，裂纹走向基本与护环轴向平行，裂纹的渗透探伤典型照片见图1。此护环为悬挂式结构，发电机转子端部绕组冷却方式为氢冷，护环材质为1Mn18Cr18N。

3 试验方法及结果

3.1 宏观检查

对护环存在裂纹的部位取样进行超声波清洗，清洗后肉眼可清晰地观察到护环环键键槽处的裂纹形貌和锈蚀斑点，裂纹处基本无塑性变形，表现为脆性开裂，见图2。护环内壁环键键槽处的裂纹数量明显高于护环外表面的裂纹数量。其中裂纹B在端面处裂透。

图1 护环裂纹照片

图2 裂纹形貌

3.2 金相组织

裂纹B横向方向的光学金相组织（OM）见图3，腐蚀前，主裂纹附近有大量的二次裂纹，主裂纹宽而长，二次裂纹窄而细，裂纹扩展方向为由内向外；腐蚀后，裂纹形态同腐蚀前，主裂纹和二次裂纹均为穿晶裂纹，裂纹附近母材的组织为奥氏体，从该方向看奥氏体晶粒基本呈等轴状，奥氏体晶粒内存在锻造加工时保留下来的大量的滑移线。

图3 裂纹B的横向形貌

3.3 扫描电子显微镜和X射线能谱试验

3.3.1 裂纹B的低温断口

对裂纹B制取低温断口试样，即将含有裂纹B的试块置于液氮中浸泡，而后将其在低温下沿其裂纹面折断。折断后的低温断口宏观形貌见图4，其中白亮处为低温打断断口，可见裂纹B并没有将其两侧的母材完全分离，存在部分粘连；其余部分为裂纹原始断口，断口表面颜色灰暗。

对低温断口在扫描电子显微镜（SEM）上观察，裂纹原始断口无论是在裂纹源区（环键键槽表面），还是在裂纹扩展区以及裂纹尖端，断口表面呈泥纹花样，表现为穿晶断裂，平坦面上分布有龟裂裂纹，平坦面并不是断口金属的真实面貌，而是断面上覆盖了一层腐蚀产物，见图5（a）、（b）、（c），断口表面存在较多数量的二次裂纹，见图5（d）。X射线能谱（EDS）分析结果发现断口源区、扩展区和裂纹尖端均有含量不等的Cl、Ca、K、Na、O和S等元素存在，能谱分析区域中氯元素含量最高为7.65%，见图6。环键键槽表面的腐蚀产物的EDS分析结果显示腐蚀产物中也含有Cl、Ca、O和Al等元素。

图4 低温断口宏观照片

图5 裂纹B的低温断口SEM照片

图6 裂纹面的EDS分析结果

3.3.2 裂纹B金相样的SEM观察

裂纹B金相样的SEM观察结果见图7，裂纹由主裂纹和分支裂纹（二次裂纹）组成，主裂纹宽而长，二次裂纹窄而短，主裂纹附近有大量的二次裂纹。

3.4 材质状态

3.4.1 化学成分

护环的化学成分分析结果见表1，各合金元素的含量均满足标准JB/T 7030-2002《300MW～600MW汽轮发电机无磁性护环锻件技术条件》的要求，杂质元素S、P含量较低，Al、B元素未检出。

图7 裂纹B的SEM照片

表1 护环化学成分分析结果 wt%

3.4.2 力学性能

图8和图9分别给出护环的100℃横向拉伸性能和冲击性能，取样位置为整周90°均布，即按照时钟的0点、3点、6点和9点取样，拉伸性能和冲击性能均匀，力学性能良好，综合力学性能试验结果，该护环的力学性能满足JB/T 7030-2002规定的III级锻件的要求。

图8 拉伸性能

图9 冲击性能

4 分析与讨论

4.1 材质分析

护环的化学成分和力学性能良好，且力学性能均匀，与一些文献上的数据相当[3,4]，符合III级锻件要求。护环在5万多小时的运行过程中，亦未发现超温现象。由此，基本可排除由护环材质不良引起的开裂。

4.2 裂纹数量

护环内壁环键键槽表面的裂纹数量明显高于外表面，有些裂纹已裂透于端面处，如图2中的裂纹B。从裂纹数量上可初步推断，护环的裂纹源区为内壁环键键槽表面。

4.3 裂纹形貌

裂纹的形貌见图3和图7，裂纹在扩展过程中出现明显的分支，即存在分叉和分支裂纹。裂纹在扩展中常常会出现分支，称为支裂纹（或次生裂纹），主裂纹较支裂纹宽而长，裂纹源区一定在主裂纹中，且裂纹源的方向通常与支裂纹的扩展方向相反。同时，裂纹主要为穿晶裂纹。

根据裂纹的扩展方向，从裂纹的形貌上亦可推断，护环的裂纹源区为护环环键键槽内表面。

4.4 腐蚀产物

护环内壁环键键槽表面处和裂纹B的低温断口上均存在大量的腐蚀产物，腐蚀产物中包括Cl、Ca、K、Na、O和S等非钢中本身含有的有益合金元素。裂纹B的低温断口表面颜色灰暗，在SEM下断口呈泥纹状花样。由于奥氏体钢对氯离子非常敏感，仅几个 ppm的氯离子就会导致应力腐蚀。氯离子出现在裂纹面上表明护环在运行过程中受到了氯离子的腐蚀。