汽轮机末级叶片断裂分析

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1、722011年7月中国制造业信息化第40卷第13期汽轮机末级叶片断裂分析杨庆平，王利峰，张武锋，陆辉(江苏省机械研究设计院有限责任公司，江苏南京210012)摘要：采用扫描电镜观察、能谱分析、显微组织分析、硬度和拉伸试验等方法对断裂叶片进行了检验分析。结果表明：叶片断裂是因为叶片在热处理后力学性能没有达到标准技术要求；叶片工作时表面缺陷在交变应力作用下扩展，最终导致叶片的疲劳断裂。关键词：沉淀硬化不锈钢；疲劳断裂；力学性能中图分类号：TG142．71文献标识码：B文章编号：1672—1616(2011)13—0

2、072一O2某电厂汽轮机在平稳运行时突然发生强烈振b．断口扫描电镜检查：在较低倍数下观察，裂动，停机后检查发现1片末级叶片根部断裂。由于纹源处只能看到呈放射型扩展形态。在高倍下观断后的叶片受到较大的碰撞，引起叶片变形和局部察，断口呈受挤压和擦伤形态(如图2所示)，但在的折断。汽轮机安装后运行约4年半，叶片材料为断口边缘仍可看到，从表面向中心撕裂形貌。在裂0Crl7Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢，按GB／]r8732—纹源附近的叶片表面有较多的微小凹坑和挤压折2004(汽轮机叶片用钢》技术标准中第Ⅲ类别进行叠纹。

3、由于整个断面受到挤压，其整体断裂形貌已热处理。无法观察，但在局部较低的没受到挤压部位仍可看到逐步扩展的疲劳条带形貌，说明叶片断裂是由表1断口检验面的裂纹源随工作应力的变化，逐步扩展而形成的疲劳断裂。a．宏观检查：由于叶片断后受到碰撞，使叶片严重变形和局部折断，断口受到严重损伤和浸蚀，无法观察其断口全貌，但叶片根部的部分断面碰撞较轻，宏观形貌尚可看到裂纹源和扩展区形态(如图1所示)。整个断口较平整呈灰白色脆性断裂形态，晶粒较细且致密，未见有明显的夹杂等冶金缺陷。图2断口边缘呈挤压擦伤和疲劳条带形貌c．力学性能测定

4、：在断裂叶片上取2根拉伸试样，检验结果见表1。d．叶片化学成分分析结果：C为0．055％、Mn图1断裂后的叶片形态(箭头处为裂源)为0．50％、Si为0．37％、S为0．005％、P为0．023％、收稿日期：2011—05—10作者简介：杨庆平(1964一)，男，江苏南京人，江苏省机械研究设计院有限责任公司工程师，主要从事金属材料检测与研究工作。·应用研究·杨庆平王利峰张武锋等汽轮机末级叶片断裂分析Cr为15．8％、Ni为3．92％、Cu为3．15％、Nb为由于叶片的工作状态是受气流冲击和离心力0．23％，数据

5、符合GB／T8732—2004{汽轮机叶片等因素的作用l2]，叶片处于拉伸、弯曲、扭转和振用钢》技术条件要求。动等交变应力状态下工作，其受最大应力作用的部表1叶片力学性能测试结果位应处于叶片根部的表面。从断裂叶片的裂纹源可看到由表面向中心撕裂形貌，在断裂源的表面还可看到似经喷丸后的表面受到打击的形态，并存在较多的折叠和折皱孔隙等缺陷。这些缺陷如果处于应力集中处，由于叶片塑性较差，脆性相对较大，e．显微组织检查：从断口表面磨制试样观察【1在交变应力作用下就容易引起微裂纹的萌生和扩可见二次裂纹沿晶扩展形貌(如图3所

6、示)。沿叶展，导致叶片的断裂。因为叶片断后2个断裂面都片纵向取样经磨制抛光浸蚀后，在低倍下可见细条受到不同程度的碰撞和挤压损伤，其宏观形貌只能状铁素体分布在马氏体基体上，在高倍下条状8看到断裂源区和扩展形态，微观上已无法观察断裂铁素体更为明显。沿叶片横截面取样经磨制抛光的原有形貌，仅在少数区域尚能看到断裂扩展时形浸蚀后，分布在马氏体基体上的6铁素体比纵向短成的疲劳条带，由此可确定其断裂性质为疲劳断小，其含量约5％左右，符合标准的技术要求。裂[。3结论断裂叶片材料成分符合GB／T8732—2004{汽轮机叶片用钢

7、》标准要求，但力学性能不符合GB／T8732—2004标准要求，硬度、强度过高，塑性较低，这是造成叶片断裂的主要因素。受应力作用较大的叶片根部存在表面折叠等微缺陷，促进了微裂纹的形成，微裂纹在交变应力作用下沿晶扩展，最终导致叶片的疲劳断裂。今后应加强对叶片热处理后的质量检查，不合图3断口表面制样后的微裂纹沿晶分布形态格的叶片不能投入使用。还需进一步提高叶片喷丸前的表面粗糙度，以减少其表面缺陷。2结果分析断裂叶片化学成分分析结果虽符合标准的技参考文献：术要求，但通过对断裂叶片进行力学性能检测发[1]韩德伟，张建新

8、．金相试样制备与显示技术[M]．长沙：中南大学出版社，2005．现，其硬度和强度过高，而塑性较低，力学性能[2]李文成．机械装备失效分析[M]．北京：冶金工业出版社，(尺，．RDo2，A，z)都不符合技术标准中第Ⅲ类别2008．热处理制度对性能的要求，说明叶片在热处理后力[3]蔡宏伟．理化检验人员培训系列教材金相检验[M]．北京：中学性能没有达到标准的技术要求。国计量出版社，2008．