這是一篇老的文章盡管文中的有些知識已經過時,但是其分析方法和對材料的力學性能分析如今還是有一定的參考價值。
金屬材料
某電廠1號機系北京重型電機廠制造的沖動凝汽式汽輪機,其高壓轉子第8級葉片材料為2Cr13。1998年4月大修揭蓋后發現該級葉片有一段圍帶殘缺約10cm長,有一個葉片在根部斷裂丟失,部分圍帶鉚釘頭有彈起現象。修復工作由電廠委托北京重型電機廠進行,其修復過程為:拆除5段圍帶及43片葉片,更換斷裂和受損的2個葉片及損壞的2段圍帶,復裝后葉片與圍帶采用焊接固定,并對2段圍帶鉚釘頭彈起的部位進行打磨后焊補,修后機組恢復運行。2000年5月7日,汽輪機出現異常響聲,且振動不斷加劇,揭缸后發現高壓轉子第8級葉片丟落19個,部分圍帶脫落,第9級葉片及8、9、10級部分隔板磨損變形。對照1998年4月大修記錄,發現此次丟落的19個葉片大部分為當時修復處理過的葉片。由于此次葉片斷裂事故對轉子損傷較為嚴重,故把整個轉子送到制造廠修復。
圖1葉片斷裂示意圖
圖2 疲勞源及裂紋擴展(10x)
檢查發現丟落的19個葉片的斷裂部位均位于葉片倒/形槽根部的橫斷面上(見圖1)。
肉眼觀察斷口表面呈紅褐色和灰褐色,有銹斑。斷口平坦并分成兩個區,其中大面積區呈光滑狀,小面積區呈纖維狀,個別斷口幾乎全部呈光滑狀。拆卸時發現葉片根部裝配較松,極易取下。
斷口經超聲波清洗干凈后在掃描電鏡下先以低倍(10倍)觀察,發現有典型的疲勞斷裂特征,即有三個區域組成:疲勞源,疲勞裂紋擴展區(顆粒狀脆性斷裂區)和最終快速斷裂韌性纖維區,其中疲勞源和疲勞裂紋擴展區占大部分面積。圖2為疲勞源和疲勞裂紋擴展區,從中能明顯觀察到貝殼狀條紋,這是疲勞斷裂典型特征。進一步放大觀察發現斷口有類似臺階式線段(見圖3、4),這些線段不是平滑的,它是疲勞過程引起不穩定滑移面上快速的裂紋擴展造成的。此外,還能觀察到裂紋的存在,且從源區向心部發展。在疲勞裂紋擴展區,則能觀察到顆粒狀脆性斷裂特征(見圖5)。斷口開裂以穿晶斷裂為主,無沿晶斷裂跡象,也沒有介質腐蝕引起的應力腐蝕斷口形貌。這說明快速斷裂區是以韌窩為主的塑性斷裂。
圖3 疲勞源區
圖4疲勞遠處的裂紋(150x)
分析損壞葉片取樣分析結果見表1。從表1可以看出,損壞葉片材料的化學成分合格。
表1 損壞葉片材料的化學成分 %
斷裂葉片根部側面布氏硬度測試結果見表2。表2表明,斷裂葉片的硬度值略偏高,推測葉片材料的強度較高。
選取斷裂葉片根部側面進行金相檢查分析,首先對未浸蝕的試樣表面進行檢查,發現其中一個倒<形槽的根部還存在微裂紋(微裂紋平直且走向平行于斷口表面)。用氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕試樣表面后觀察其金相組織為具有位向的回火索氏體(見圖6),圖7為帶微裂紋處的金相照片,組織狀態正常。
圖6斷裂葉片根部的金相組織(400x)
葉片根部拐角處的金相組織(400x)
(1)斷裂葉片的金相組織為正常的回火索氏體,材料化學成分合格,主要性能指標也基本正常。
(2)葉片斷裂部位在倒/形槽根部的橫斷面上,亦即在應力集中部位,是裂紋源萌生地,斷口具有典型的疲勞斷裂特征,裂紋擴展屬穿晶走向。
(3)葉片根部疲勞斷裂與裝配質量有關,高壓轉子葉片安裝時通常要求根部緊配合,但裂斷的第+級葉片根部卻是松配合,遂導致葉片在運行過程中產生振動并傳至根部,根部與葉輪槽表面產生摩擦,從而使根部表層晶粒持續滑移帶極易萌生裂紋,即產生疲勞源,隨后裂紋不斷擴展,最終造成根部疲勞斷裂。
(4)斷裂的19個葉片中,大部分斷口都屬于疲勞斷口,這表明在葉片發生大面積斷裂前,其根部已產生或大或小的疲勞裂紋,最后導致部分葉片先斷裂,并引起其余葉片提前斷裂。
該電廠1號機高壓轉子第+級葉片大面積斷裂的主要原因是裝配時葉片根部間隙偏大,在運行過程中葉片振動引起根部產生疲勞裂紋源,隨著疲勞裂紋的不斷擴展,最終導致葉片疲勞斷裂。
