核电厂汽轮机叶片司太立合金片缺陷分析研究与改进

岳兴华 王学芳

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐314300）

0 引言

某核电厂1、2 号汽轮机型号为HN642-6.41，由X汽轮机厂与原美国西屋电气公司（以下简称“西屋”）联合设计、合作制造；3、4 号汽轮机型号HN650-6.41，由X 汽轮机厂延续西屋公司设计、X 汽轮机厂制造。

2012 年11 月9 日，某核电厂2 号机组因汽轮机低压缸转子次末级叶片断裂导致紧急停机， 随后机组转入小修。 出于对机组安全的考虑，后续大修期间，对汽轮机叶片进行了详细的检查。 叶片材料选用17-4PH 沉淀硬化 不 锈 钢 材 质（0Cr17Ni4Cu4Nb/755）， 在 末 三 级（5 ～7级） 自由叶片叶顶安装有防水蚀的司太立合金片，司太立合金片与叶片母材采用银钎料焊接方式。 在检查过程中， 除叶根部位发现缺陷外， 还发现了司太立合金片部位的缺陷。

说明：叶片故障后历次大修检查情况如下

2012 年：2 号机组停机小修，查出叶片叶根断裂故障；

2013 年：1、2、4 号机组大修，查出叶根裂纹；

2013 年：3 号机组大修，首次查出司太立合金片缺陷问题；

2014 年：4 号机组大修，查出司太立合金片缺陷；

2014 年：1 号机组大修，查出叶根裂纹；

2014 年：2 号机组大修，查出司太立合金片缺陷。

截至2014 年底，已经检查出的司太立合金片缺陷类型以及缺陷数量，汽轮机低压缸末三级叶片司太立合金部位缺陷统计（总计77 片）。

据统计可知，有缺陷的叶片均为X 汽轮机厂生产，西屋产叶片尚没有发现缺陷。 为分析X 汽轮机厂叶片司太立合金缺陷产生的根本原因， 选取了1 片缺陷已贯穿至叶身母材的X 汽轮机厂制造叶片进行了系统失效分析，并通过厂家叶片制造工艺调研，分析得到X 汽轮机厂产叶片司太立合金片开裂的根本原因，针对原因，提出了对策建议。

1 叶片司太立合金片缺陷原因分析过程

1.1 司太立合金片样品的选取

选取了3 号机组（X 汽轮机厂制造）裂纹已贯穿至叶身母材的62 号缺陷叶片进行系统分析。 62 号叶片宏观形貌缺陷，叶盆裂纹和叶背裂纹两种情况。

1.2 叶片本体宏观检查

按照GB/T20967“无损检测-目视检测总则”对叶片样品进行了目视和体视显微镜检测，检测信息内容如下：

62 号叶片目视检查情况：

1）叶片表面呈黑灰色，局部发亮并有着色探伤的痕迹，叶身有纵向一道道黑色印记，叶片表面有喷丸处理；

2） 裂纹位于进汽边距叶顶约150mm 的司太立合金片底部的钎焊区，内弧侧裂纹长约32mm，背弧侧裂纹长约27mm；

3）钎焊司太立合金沟槽很不规则， 用钎焊料添充， 钎焊料外表面有水蚀孔洞形成；

4） 裂纹两侧有打磨的痕迹。

1.3 叶片横截面检查

62 号叶片内弧和背弧面钎焊槽的根部修正的很不规则，过渡处基本呈直角过渡， 但经厂家调研发现， 西屋产叶片内弧和背弧面钎焊槽的加工情况较圆滑。

1.4 断口分析

1.4.1 断口宏观分析

用线切割的方法将叶片的裂纹打开，62 号叶片断口宏观形貌分析如下：

1） 司太立合金片始裂区位于司太立合金片内部修整不规则尖角处， 司太立合金断面呈光亮色， 发散棱线明显；

2）叶片基材是多源的，裂纹源区分别位于钎焊司太立合金片沟槽内侧和沟槽拐角过渡尖点处，源区断面都高低起伏，呈黑灰色，可见收敛于裂纹源区的发散棱线，向叶片出汽边及叶盆处发散；

3）基材侧面裂纹源区侧面有加工刀痕，进汽边源区存在尖点；

4）基材断面扩展区较为平坦，基材扩展区断面较为细密，有清晰的贝纹线；

5）钎焊料断面呈黄色和黑色，基材断面呈黑灰色，氧化严重。

1.4.2 断口微观分析

断口微观形貌：电子显微镜下观察叶片断面微观形貌，62 号叶片断口微观形貌分析如下：

1）司太立合金片裂纹源A 区存在尖点，发散棱线明显；

2） 基材B、C、D 裂纹源区低倍下都可见放射状条纹，放射状条纹向出汽边侧和叶盆处延伸；

3）B、C、D 裂纹源区断面上都略有磨损，D 裂纹源区存在尖点；

1）基材上裂纹扩展区高倍下都可见疲劳条纹，方向垂直于裂纹扩展方向；

2）B 区和C 区司太立合金片和叶片基材之间钎焊料约20μm。

能谱测试：用能谱分析仪对清洗后的司太立合金断口及叶片基材未清洗断口进行微区成分分析， 测试结果见表1 和表2。 从表7 中数据可见，叶片司太立合金及基材断面氧化严重，司太立合金片裂纹源区有基材成分。

表1 ：叶片司太立合金片断口能谱分析结果 （Wt%）Tab.1:The blade stel lite alloy slices eds.the analysis results （Wt%）

表2 ：叶片基材断口能谱分析结果 （Wt%）Tab.2:Energy spectrum analysis results of blade matrix fracture （Wt%）

1.5 材质分析

在叶片上取样，检验叶片材质的化学成分、力学性能和金相组织。 金相部位3 个、拉棒2 个、冲击硬度2个、化学1。

1.5.1 化学成分分析

按照GB/T223《钢铁及合金化学分析方法》系列标准对叶片进行化学成分分析，发现叶片材质的化学成分符合0Cr17Ni4Cu4Nb 材质的技术要求。

1.5.2 力学性能

按照GB/T228“金属材料室温拉伸试验方法”，GB/T231“金属布氏硬度试验方法”，GB/T229“金属夏比缺口冲击试验方法”[3，4]，通过拉伸、硬度、冲击试验，叶片钢室温力学性能测试结果见表3，由表3 可见，叶片钢室温力学性能符合技术要求。

表3 ：叶片钢室温力学性能试验结果Tab.3:Test results on the mechanical properties of blade steel at room temperature

1.5.3 金相组织

分别在叶片叶身和叶根上取样，利用金相显微镜对试样进行金相检验[5]，检验结果见表4，由金相检验结果可见，叶片钢金相检验结果符合技术要求。

表4 ：金相检验结果Tab.4:Metallographic examination results

1.6 应力测试

用应力测试仪对叶片裂纹两侧表面的不同位置进行残余应力测试，测试位置为叶盆处两侧各取两个测试点，叶背处两个测试点，经过测试结果可见，裂纹两侧的残余应力都为较大的压应力，但很均匀。

1.7 叶片制造工艺分析

经查阅资料，并赴X 汽轮机厂调研。 发现X 汽轮机厂产叶片加工工艺、 焊接工艺和焊接过程温度控制存在以下问题：

1）司太立合金槽根部设计有R9.56 倒圆，但实际加工中由于采用四轴加工，通过钳修实现，导致达不到设计要求。

2）司太立合金片高频钎焊焊接过程中温度要求控制在745－845 ℃左右， 但由于测温和控温装置手段限制，实际温度控制存在偏差情况，经调查X 汽轮机厂钎焊一次合格率整体偏低（约30%左右）。 大部分叶片都存在冷却后火焰补焊情况。

2 分析结论

综合以上分析过程，对于缺陷的原因，得出以下结论：

1）62 号低压次末级叶片司太立合金片上的裂纹为疲劳裂纹；

2）产生疲劳裂纹与叶片材质的冶金质量无关；

3）低压次末级叶片产生疲劳裂纹的主要原因是：在运行情况下，司太立合金片及司太立合金槽存在尖点产生的应力集中效应和叶片承受较为复杂的振动应力；

4）司太立合金片安装槽加工工艺不达标，退刀槽为直角，不满足设计要求，存在应力集中；

5）钎焊质量控制不良，在一定程度上促进了缺陷的产生。

3 优化改进建议

3.1 优化改进要解决的问题

解决次末级叶片司太立合金槽退刀槽结构应力集中过大及钎焊质量欠缺问题，从而避免次末级叶片司太立合金片部位叶片基材开裂缺陷的发生。

3.2 改进方法

1）改进钎焊设备，增加测温和控温装置手段，高频钎焊过程中温度控制要均匀， 防止钎焊过程中温度偏差过大；

2） 钎焊后对于不满足验收要求的叶片必须实施热补焊处理， 即在高频钎焊机上焊完后必须马上进行火焰手工补焊，不允许叶片冷却后再进行火焰补焊；

3） 采用更为先进的叶片加工方法， 保证叶片司太立合金片钎焊槽底部及退刀槽为圆滑过渡， 满足设计倒圆要求；

4） 叶片司太立合金焊接完成后增加喷丸处理工艺，改善残余应力状态。