600 MW机组低压转子叶片裂纹分析

常庆东，王强，夏明松，李治发

(1.国电科学技术研究院银川电力技术分院，宁夏银川750000;2.西安热工研究院有限公司，陕西西安710032;3.华能武汉发电有限责任公司，湖北武汉430415;4.华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆402283)

600 MW机组低压转子叶片裂纹分析

常庆东1，王强2，夏明松3，李治发4

(1.国电科学技术研究院银川电力技术分院，宁夏银川750000;2.西安热工研究院有限公司，陕西西安710032;3.华能武汉发电有限责任公司，湖北武汉430415;4.华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆402283)

针对某台600MW亚临界参数汽轮机低压转子的末三级叶片(2Cr12NiMo1W1V钢)出汽侧裂纹进行了宏观形貌观察、化学成分分析、金相组织分析、室温冲击韧性试验、硬度试验，并对断口进行了扫描电镜及能谱分析。结果表明:此次开裂的低压转子叶片，是由于其化学成分Mo元素含量低于标准要求，导致材料的KISCC降低，以及硬度偏低造成裂纹扩展所需的外界启动应力降低，进而在运行过程中拉应力和湿蒸汽的氧化腐蚀共同作用下，发生了应力腐蚀开裂。

叶片裂纹;应力腐蚀;2Cr12NiMo1W1V;蚀坑;KISCC

0 引言

2Cr12NiMo1W1V马氏体型不锈钢是在国外12Cr型不锈钢基础上，调整C、W、Ni和Mo元素含量而研制出的国产化钢种，具有良好的综合力学性能和耐腐蚀性能，多用在高温螺栓和200MW以上汽轮机末级叶片等部件［1－3］。

某台600MW亚临界汽轮机技术参数:主蒸汽压力为16.67MPa，再热蒸汽进口压力为3.00MPa;主蒸汽温度为538℃，再热蒸汽进口温度为538℃。2012年6月机组检修时，发现汽轮机1号低压转子的叶片出汽侧存在裂纹，为查找断裂的原因，对失效叶片进行了理化检验和分析。

1 宏观观察

检查发现，此次产生裂纹的叶片为低压转子末三级汽轮机叶片，叶根为枞树型，叶片长度272mm，该叶片材质为2Cr12NiMo1W1V。

观察发现，叶片裂纹位于靠近出气侧叶片边缘处，长度约为13mm，裂纹方向垂直于叶片的长度方向，深度贯穿叶片厚度，距叶根处165mm;裂纹一端止裂于叶片边缘，另一端止裂于叶片中部位置。靠近叶根处叶片存在变形，该变形为拆卸所致，其余部位的表面光洁平整，未发现变形损伤。

2 金相分析

选取靠近叶片中部的裂纹尖端处制取金相试样，金相面平行于叶片表面。金相试样依次经过砂纸预磨和机械抛光后，选用HCl+FeCl3水溶液浸蚀，金相组织见图1和图2。

图1 裂纹处低倍形貌(50×)

图2 裂纹尖端及吐片金相组织(500×)

金相组织为回火马氏体+碳化物，晶粒度13～13.5级，符合GB/T8732－2004［3］的要求。裂纹处金相组织与远离裂纹的叶片金相组织无明显差异，晶内和晶界处析出相较少，爆口裂纹尖端的主裂纹分叉明显，并伴随有次生裂纹，裂纹沿晶界扩展，主裂纹垂直于拉应力方向，裂纹的中段开裂较宽、边缘较圆滑，且内有填充物，具有蚀坑的形貌，是应力腐蚀开裂的典型特征。

3 化学成分分析

依据《钢铁及合金化学分析方法》(GB/ T223)［4］，分别在该汽轮机叶片的进汽侧和出汽侧取样进行化学成分分析，结果如表1所示。

表1 化学成分分析结果%

根据《汽轮机叶片用钢》(GB/T 8732－2004)［3］中对2Cr12NiMo1W1V钢化学成分的要求，以及GB/T 222－2006［5］中对不锈钢和耐热钢成品化学成分允许偏差的标准规定，从结果中可知:样品中的C、Mn、Mo元素含量均低于该种钢的标准要求，样品中其余元素含量符合标准要求。

C和Mn元素含量偏低减弱了钢的固溶强化效果，导致在原有热处理工艺下叶片材料强度和硬度的降低;Mo元素可以提高材料的热强性和应力腐蚀的门槛值(KISCC)，故叶片材质中Mo元素含量偏低，增加了材料应力腐蚀开裂的敏感性［8］。从理论上讲，应力强度因子不超过应力腐蚀的门槛值，裂纹是不会扩展，但由于叶片材质化学成分Mo元素含量的偏低导致了KISCC的下降，使得叶片运行过程中的应力超过了该叶片的KISCC，进而产生裂纹源，裂纹垂直于拉应力方向扩展。

4 冲击韧性及硬度试验

按照《金属夏比缺口试验方法》(GB/T229－2007)要求［6］，在该汽轮机叶片上，沿着叶片长度方向上(试样长度方向平行于叶片长度方向)的不同部位制取V型缺口试样，进行冲击韧性试验，结果见表2。从表2可以看出，该叶片试样的冲击韧性符合GB/T8732－2004［3］的要求。

按照《金属布氏硬度试验》(GB/T231－2009)的要求［7］，对叶片试样进行测试。测试结果见表3。从表3可知，该叶片取样硬度均低于《汽轮机叶片用钢》(GB/T8732－2004)的要求。

表2 冲击韧性试验结果

表3 布氏硬度测试结果

叶片硬度偏低间接反映出材料强度的不足，进而降低了裂纹开启所需的外界临界启动应力，导致在相对较小的应力作用下即产生开裂。

5 扫描电镜及能谱分析

扫描电子显微镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)对断口及裂纹尖端的金相样品进行微观形貌及能谱分析，如图3和图4所示。

图3 断口SEM形貌

图4裂纹尖端SEM形貌

图3 所示为该叶片裂纹断口在扫描电镜下的形貌，呈冰糖状、整体较平直、无塑性变形，表明材料断裂机制为沿晶断裂，断口为脆性断口。该裂纹靠近叶片进汽侧一端的断口相对略显光滑(图3中断口右侧区域)，根据应力腐蚀的机理，裂纹源在最早出现在因应力集中而产生滑移变形造成钝化膜破裂的位置，说明此处开裂较早，为裂纹源所在位置。随着腐蚀介质的进入，钝化膜破裂处发生阳极溶解，形成蚀坑，进而又在蚀坑周围钝化;而在机组运行过程中拉应力作用下，蚀坑底部的应力集中使钝化膜再次破裂，这时产生新的活性阳极区继续溶解、钝化、滑移、破裂，周而复始循环下去，导致应力腐蚀不断向开裂前沿发展，造成纵深的裂纹，因此裂纹扩展部位较为粗糙，有腐蚀形貌特征(图3中断口左侧区域)。此外，裂纹源处没有向外辐射的放射台阶和放射状条纹，断面上没有疲劳贝纹线，不具有疲劳断裂的宏观特征［8－10］。

图4所示为裂纹尖端的微观形貌，可以看出裂纹中段存在蚀坑。对蚀坑内腐蚀产物进行EDS分析(见表4及图5)，可以得出腐蚀产物中O元素含量很高(Cl元素为金相侵蚀所致)。同时对比微裂纹旁的基体EDS分析结果，可以得出腐蚀产物主要为氧化物。

表4 裂纹尖端EDS分析结果%

图5 裂纹蚀坑内及裂纹旁基体EDS分析位置

6 结语

此次开裂的低压转子叶片，是由于其化学成分Mo元素含量低于标准要求，导致材料的KISCC降低，以及硬度偏低造成裂纹扩展所需的外界启动应力降低。该叶片在高速运转过程中受离心拉应力超过了材料的KISCC，并在湿蒸汽的氧化腐蚀共同作用下，发生了应力腐蚀开裂，裂纹源位于蚀坑处，裂纹垂直于拉应力方向扩展。

［1］蔡正德.2Cr12NiMo1W1V汽轮机叶片用钢的热处理实践［J］.中国化工装备，2003，(1):30－33.

［2］张远，王梅英.2Cr12NiMo1W1V钢螺栓断裂原因分析［J］.机械工程师，2010，(1):142－143.

［3］GB/T 8732－2004，汽轮机叶片用钢［S］.

［4］GB/T 223，钢铁及合金化学分析方法［S］.

［5］GB/T 222－2006，钢的成品化学成分允许偏差［S］.

［6］GB/T 229－2007，金属夏比缺口冲击实验方法［S］.

［7］GB/T 231－2009，金属布氏硬度试验［S］.

［8］姜求志，王金瑞.火力发电厂金属材料手册［M］.北京:中国电力出版社，2000.

［9］董俊明，潘希德，戚继皋，等.微合金元素对焊缝金属应力腐蚀破裂性能的影响［J］.焊接学报，1998，(S1):.

［10］訾壮辉，王梅英.某电厂600 MW机组叶片断裂分析［J］.理化检验(物理分册)，201，46(7):459－461.

Failure analysis of blade crack of low－pressure rotor of 600 MW units

According to the crack of the turbine blade，macroscopic morphology observation，metallographic analysis，hardness testing，impact toughness testing and scanning electron microscope analysis with energy spectrum were used in this research.It has been found that the chemical composition of Mo do not meet standard，then it reduces the KISCC，and the hardness of the turbine blade is less than standard，which reduces the required of externally initiated stress for crack extending.Therefore，because of the tension stress and the oxidation corrosion in the running of the turbine，stress corrosion cracking occurred in the blade.

crack of turbine blade;stress corrosion;2Cr12NiMo1W1V;etch pit;KISCC

TK223.3

B

1674－8069(2015)01－060－03

2014-09-12;

2014-12-24

常庆东(1983-)，男，工程师，陕西子洲人，主要从事火电厂技术监督评价、金属监督、锅炉压力容器检验等工作。E－mail:cqd19830420@163.com