邓 辉1,吴文生2,吴旭良3,袁红玉3,谢照增3 

摘 要:某滨海电厂660MW 超超临界机中 A、B低压转子末二级叶片叉型叶根销钉发生开裂, 通过宏、微观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察及力学性能测试等方法分析了销钉的开裂原 因。结果表明:销钉发生了应力腐蚀开裂。开裂销钉显微组织不均匀,且存在粗晶,其应力腐蚀敏 感性较大;销钉孔内存在腐蚀介质,导致销钉表面形成腐蚀坑。在汽轮机高速转动过程中,销钉承 受由叶片离心力引起的弯曲应力,在腐蚀坑处萌生微裂纹,发生应力腐蚀开裂。 

关键词:叉形叶根;销钉;腐蚀点坑;弯曲应力;应力腐蚀 中图分类号:TG172.3 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2022)12-0091-07

0 引 言 

低压转子叶片是电站汽轮发电机组的重要受监 控金属部件,由叶身、叶根、叶顶和连接部分组成,其 工作原理是将蒸汽动能转换成转子的机械能,并通 过转子大轴带动发电机对外做功。低压转子叶片的 工作环境和受力状况复杂,常发生各种形式的失效, 导致机组停运,带来重大经济损失,甚至造成机毁人 亡的恶性事故[1-3]。 目前国内对低压转子叶片叶身、叶根等部位的 失效分析报道较多,失效原因大多是材料本身存在 问题、运行控制不当或水质不合格[4-9],鲜有对连接 部件如叶根销钉失效的相关研究。霍如恒等[10]分 析了某捷制200 MW 汽轮机高压第二压力级动叶 片销钉的断裂原因,得出销钉材料热处理不规范,使 得抗蠕变强度不足导致销钉断裂的结论;但该销钉 材料等级较低且亚临界机组工况简单,与超(超)临 界机组用销钉材料及超(超)临界机组工况差异较 大,所以参考意义不大。作者在近些年的工作过程中,通过超声波检测等手段[11],陆续发现多起低压 转子叶片叉型叶根销钉开裂事件,且在超(超)临界 和亚临界机组低压转子的末级和次末级均有发生, 严重危及汽轮机的安全运行。因此,对低压转子叶 片叉型叶根销钉开裂原因进行分析,提出针对性的 预防措施,对机组安全运行具有重要意义。 某滨海电厂660 MW 超超临界机组于2009年 6月投产使用,已累计运行7.8万h。在高中压缸侧 和发电机侧各有1个低压转子,分别为 A 低压转子 和B低压转子,每个转子各7级动叶片。第6级(末 二级)动叶片材料为1Cr12Ni2W1Mo1V 钢,共133× 4片。每2个叶片叶根通过外圈、中圈、内圈3个销 钉固定在叶轮轮缘上,2个低压转子末二级叶片叶 根销钉 共 1596 根,销 钉 材 料 为 4Cr5MoSiV1 钢。 高温蒸汽进入低压缸内部经低压转子上的动叶片做 功,低压缸进汽温度为390 ℃,压力为1.2 MPa,蒸 汽在动叶片上逐级做功后,排气温度为34 ℃,压力 为-97kPa。在2020年11月检修过程中,发现 A 和B低压转子末二级叶片叶根销钉共断裂166根,有 完全断裂的和存在裂纹不完全断裂(即开裂)的。由 于断裂销钉和开裂销钉的分布无规律,作者随机取 A 低压转子高中压缸侧末二级编号107和108叶片外 圈开裂销钉以及同批次未断裂也未开裂销钉进行显 微组织和力学性能对比,分析了销钉开裂原因。 

1 理化检验及结果

 1.1 宏观形貌 

观察随机选取开裂销钉的形貌,其实测尺寸约 为?10.33mm×145mm。由图 1(a)可 以 看 出:开 裂销钉表面存在一定程度腐蚀,且右侧腐蚀最严重, 这是由于销钉采用大锤敲击或者气动铆锤安装,施 加的是多次往复的冲击力,使得销钉先入销钉孔的 一侧受损,销钉孔直径扩大,装配完成后销钉右侧与 销钉孔存在一定间隙,腐蚀介质容易进入而导致销 钉发生腐蚀;裂纹位于销钉右侧腐蚀最严重区域,如 图1(a)中方框所示。 图1 开裂销钉宏观形貌及右侧腐蚀区放大形貌 Fig 1 Macromorphology a andcorrosionareamagnifiedmorphology b onrightsideofcrackedpin 用400 # 砂纸对销钉右侧腐蚀区域进行打磨,在 XPZ-830B型体视显微镜上观察裂纹形貌。由图1 (b)可以看出,销钉右侧腐蚀区域表面分布着密密 麻麻的腐蚀坑,同时存在2条横向裂纹,标记为裂纹 1和裂纹2,裂纹2穿过多个腐蚀坑。

 1.2 化学成分

 采用 SPECTRO MAXx型直读光谱仪对开裂 销钉进行化学成分分析。由表1可知,开裂销钉的 化学成分满足 GB/T1299-2014 对 4Cr5MoSiV1 钢的成分要求。 表1 开裂销钉的化学成分 Table1 Chemicalcompositionofcrackedpin 条件 质量分数/% C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu V 实测值 0.36 1.18 0.36 0.026 0.006 5.36 1.27 0.21 0.18 0.95 标准值 0.32~0.45 0.18~1.20 0.20~0.50 ≤0.030 ≤0.030 4.75~5.50 1.10~1.75 ≤0.25 ≤0.30 0.80~1.20 

1.3 非金属夹杂物 

在开裂销钉裂纹2附近位置截取截面试样,经 240 # ,400 # ,600 # ,800 # ,1000 # 砂纸打磨和 W1.5金 刚石研磨膏抛光后,采用LeicaDMi8C型光学显微镜 观察非金属夹杂物形貌,并依据 GB/T10561-2005 标准对非金属夹杂物进行评级。由图2和表2可以 看出,开裂销钉中主要存在 A 类和 D 类夹杂物,不 存在 B 类 和 C 类 夹 杂 物。厂 家 未 提 供 夹 杂 物 等 级 要求,根据GB/T1299-2014,开裂销钉中各类 非金属夹杂物满足标准要求。

 1.4 显微组织

 在开裂销钉裂纹1附近位置和未开裂销钉上横 向取样,对横截面抛光,用由三氯化铁、盐酸和乙醇 组成的溶液腐蚀,采用 LeicaDMi8C型光学显微镜 观察显微组织,并按照 GB/T6394-2017进行晶粒 度测定。由图3可以看出:开裂销钉横截面存在尺 寸较大的粗晶,晶粒清晰可辨,晶粒度评定为0级; 显微组织呈现白色、黑色和灰色3个区域,并且存在 残余奥氏体,放大后可知白色区域为不均匀板条状 马氏体组织,灰色区域为细小的板条状马氏体组织, 黑色区域为较粗大的板条状马氏体组织;未开裂销 钉的显微组织为细小均匀的回火马氏体,晶粒度评 定为8级。 

1.5 裂纹微观形貌

 在开裂销钉右侧裂纹区域截取纵截面试样,采 用LeicaDMi8C型光学显微镜观察抛光前后裂纹1 不同位置的形貌,观察位置如图1(b)所示。由图4 (a)~图4(c)可以看出,主裂纹为沿晶和穿晶混合 型裂纹,且主裂纹上存在大量呈树枝状分叉的沿晶 型分支裂纹。由图4(d)~图4(f)可以看出,主裂纹 两侧和分支裂纹上存在大量灰、黑色腐蚀产物,并呈 现出应力腐蚀开裂的特征。 

1.6 断口形貌及微区成分 

将裂纹2打开,清洗断口后,采用JSM-7001F型 扫描电子显微镜(SEM)观察原始断口形貌,并用附带 的能谱仪(EDS)分析微区成分。由图5可见:裂纹2 的原始断口齐平,未见明显塑性变形和疲劳辉纹,呈 多源脆性断口特征,裂纹源区有腐蚀痕迹;断口表面 被腐蚀或氧化产物覆盖,且断口上存在微小裂纹与孔 洞,经清洗后观察到断口呈解理开裂特征。 由图6可以看出,开裂起源于销钉表面的腐蚀坑,腐蚀坑处存在腐蚀性元素氯和硫,同时富集了 钠、钾、钙等元素。 对图4(f)中开裂销钉裂纹1的分支裂纹尖端 灰、黑色腐蚀产物进行微观形貌观察及微区成分分 析。由图7可知,裂纹1分支裂纹尖端存在含氯、硫 等元素的腐蚀产物。 

1.7 力学性能 

厂家提供的技术要求如下:抗拉强度1650~ 1800MPa,屈服强度1310~1600 MPa,洛氏硬度 45~52HRC。 根据 GB/T230.1-2018,采 用 WilsonR574 型洛氏 硬 度 计 进 行 硬 度 测 试,测 5 点 取 平 均 值。 在开裂 销 钉 无 裂 纹 位 置 沿 销 钉 纵 向 截 取 直 径 为 5mm 的 拉 伸 试 样,标 距 为 25 mm,按 照 GB/T 228.1-2021在 UTM5305HA 型电子万能试验机 上进行室温拉伸试验,拉伸速度 为 2 mm·min -1, 每 组 测 3 个 试 样 取 平 均 值。 根 据 GB/T229- 2020,采用 PTM2302型摆锤冲击试验机沿试样纵 向进行冲击 试 验,试 验 温 度 为 25 ℃,每 组 测 3 个 试样取平均值。取未开裂销钉用相同参数进行对 比试验。由表3可以看出,开裂销钉的硬度、抗拉 强度和 屈 服 强 度 满 足 厂 家 技 术 要 求,由 于 GB/T 1299-2014和 厂 家 均 未 提 供 冲 击 吸 收 功 标 准 范 围,故无 法 判 断 销 钉 冲 击 吸 收 功 是 否 符 合 要 求。 与未开裂 销 钉 相 比,开 裂 销 钉 的 硬 度、强 度、韧 性 均较低,特别是冲击吸收功降低了77%,这主要是 由于开裂销钉存在宏观粗晶且显微组织不均匀引 起的。 表3 销钉的室温力学性能 Table3 Roomtemperaturemechanicalpropertiesofpins 项目 硬度/ HRC 抗拉强度/ MPa 屈服强度/ MPa 冲击吸收 功/J 开裂销钉 48.7 1684 1332 9 未开裂销钉 49.8 1752 1403 39 厂家技术要求 45~52 1650~18001310~1600 -

 2 开裂原因分析 

由理化检验结果可知,开裂销钉主裂纹为沿晶 和穿晶混合型裂纹,且主裂纹上存在大量呈树枝状 分叉的沿晶分支裂纹。主裂纹两侧和分支裂纹上存 在大量灰、黑色物质,经能谱分析为含氯、硫元素的 腐蚀产物。主裂纹原始断口齐平,未见明显塑性变 形和疲劳辉纹,呈多源脆性断口特征,裂纹源区有腐 蚀痕迹。原始断口表面被腐蚀或氧化产物覆盖,且 断口上存在微小裂纹与孔洞,经清洗后观察到断口 呈解理开裂特征。腐蚀坑处存在腐蚀性元素氯和 硫,同时富集了钠、钾、钙等元素。 通过以上结果得出销钉失效模式为应力腐蚀开 裂;应力腐蚀开裂的基本条件包括特定的金属材料、 弱的腐蚀介质和拉应力[12-13]。 开裂销钉组织不均匀,由3种形态晶粒和残余 奥氏体组成,且存在大的粗晶,晶粒度评定为0级, 已远大于厂家标准要求的4级,所以其应力腐蚀敏 感性较大[19]。对其他销钉显微组织检验后发现断 裂销钉多数为不均匀粗晶组织,而未断裂销钉为细 小均匀的回火马氏体组织。销钉用4Cr5MoSiV1钢 的生产工艺为加热→锻造→退火→调质处理,锻造加 热的温度一般较高,达1250 ℃以上,虽然高温能有 效地消除钢锭偏析,促进合金元素均匀化扩散,但是 易导致晶粒粗化,因此后续需要通过900 ℃×2h的 再结晶退火工艺处理来消除粗晶,获得细晶组织,从 而提高冲击韧性[14]。退火工艺不当如温度过高或 保温时间过长,会导致晶粒进一步长大,在后续淬火 加热奥氏体化过程中,粗晶难以消除,同时得到不均匀的马氏体组织,导致冲击韧性显著降低[15-17]。经 调查得知开裂销钉实际退火工艺为900 ℃×4h,保 温时间过长。此外,材料的组织状态对应力腐蚀的 敏感性影响很大,组织越不均匀,越容易产生活性的 阴极通道,越易产生应力腐蚀;晶粒尺寸越大,硬度 及强度越高,应力开裂敏感性也会增加[18]。这就为 应力腐蚀提供了材料内部的条件。 另据调查可知,该机组低压转子汽水品质定期 检验合格。但研究表明在50~120 ℃蒸汽过渡区 间,即使汽水品质合格,偶然的汽水品质波动也可能 在叶轮轴向键槽处、销钉孔内等部位聚集腐蚀介质 和盐类。低压转子叶片工作条件复杂,每一级叶片 工作温度不同,第一级叶片接触的蒸汽温度最高,蒸 汽逐级做功后温度逐渐减低,末二级叶片处于湿蒸 汽区域,已到达蒸汽过渡区间,而机组启停及调峰工 况的变化会使汽水品质产生一定波动。现场调研证 实,该机组调峰频繁。此外,该电厂处在滨海地区, 雨水较多,空气中带有较多的氯离子,潮湿的空气会 附着在叶轮上,进而雾化成小水滴进入销钉孔,也会 带进一定量的腐蚀介质,这就为应力腐蚀提供了外 部的条件。 叉形叶根是通过将叶根径向插入到叶轮轮缘的 叉槽中,并用销钉固定的,叶片承受很大的离心力, 且该离心力主要依靠3根销钉承担,所以销钉承受 的弯曲应力相当大[20]。由于机组运行时转子朝着 一个方向转动,销钉一直承受一个方向的弯曲应力, 这就使销钉一面始终贴合在轮缘或者叶根上,另一 面与轮缘或者叶根存在一定间隙。弯曲应力在间隙 面表现为拉应力,在贴紧面表现为压应力,这是应力 腐蚀开裂的拉应力来源。

 3 结论及建议

 (1)低压转子叶片叉型叶根钢销钉发生的是应 力腐蚀开裂。由于退火工艺控制不当,销钉中形成 了不均匀显微组织,导致材料本身的应力腐蚀敏感 性增大;复杂的工况使销钉孔内进入了一定量的腐 蚀介质;销钉主要受叶片离心力引起的弯曲应力,弯 曲应力在间隙面表现为拉应力。在弯曲应力的作用 下,销钉在腐蚀介质作用下发生了应力腐蚀开裂。 (2)为防止销钉开裂建议加强销钉制造、安装、 运行期间的无损和理化检测;机组启停、运行、变负 荷时防止汽水品质波动,避免腐蚀介质和盐类在销 钉孔等部位聚集;转子在储存、停机检修和备用期间 要保持环境干燥,防止转子上附着潮气。

来源：材料与测试网