汽輪機在檢修過程中發現中壓轉子動葉片葉根發生開裂。為找出葉片開裂原因，利用宏形貌分析、化學成分分析、力學性能分析、金相顯微組織檢測及斷口微區分析等方法對開裂葉片進行了試驗分析。

主要原因為：該動葉片在制造過程中進行鍛造加工時，由于鍛造工藝不當形成的原始鍛造裂紋。

汽輪機為N330-17.75/540/540型、亞臨界蒸汽參數、一次中間再熱、直接空冷、單軸雙排汽采暖抽汽供熱式機組。該機組于2011年10月15日投產運行，已累計運行約48000h。

表1 #5鍋爐主要技術參數

汽輪機中壓轉子動葉共12級，大修期間，檢查發現中壓轉子動葉片葉根出汽側發現一條長約11mm的裂紋，材質為2Cr11NiMoVNbNB。

為了找出中壓轉子動葉片開裂原因，確保機組的安全穩定運行, 對汽輪機開裂的中壓轉子動葉片進行取樣試驗分析。

1試驗方法及分析

01宏觀檢查

對開裂的中壓轉子動葉片宏觀形貌進行檢查，如圖1所示。可以看出，中壓轉子動葉片的開裂點位于葉根出汽側端面，裂紋長度約為11mm，裂紋平直、開口細小，沿葉片軸線方向分布。葉片外部未見明顯機械損傷及腐蝕損傷等缺陷。將開裂部位剖開進行觀察，斷口齊平，表面銹蝕嚴重，自葉片表面向基體擴展分布。

圖1 開裂葉片的現場形貌及宏觀形貌

02斷口微觀形貌分析

將解剖的開裂斷口清洗后利用掃描電子顯微鏡（SEM）對其進行微區形貌的分析。可以看出，盡管動葉片的斷口表面氧化嚴重，但斷口局部仍可以觀察到較為清晰的沿晶斷裂形貌特征，如圖(a)所示；而葉片材料正常的沖擊斷口則呈現典型的解理斷裂特征，如圖(b)所示。

03化學成分分析

直讀光譜儀對開裂中壓轉子動葉片的金屬基體進行成分分析，分析結果見表2。結合標準GB/T 8732-2014《汽輪機葉片用鋼》和GB/T 222-2006《鋼的成品化學成分允許偏差》要求，可以看出中壓轉子動葉片的主要合金成分中P元素含量明顯高于標準要求，其他合金化元素含量與標準對2Cr11NiMoVNbNB材質的要求相一致。

表2 化學分析結果/%

04金相分析

對開裂的中壓轉子動葉片取樣進行金相分析。動葉片的基體組織為回火馬氏體+少量δ鐵素體，δ鐵素體含量最嚴重視場未超過5%；組織中未見嚴重夾雜物；其奧氏體平均晶粒度為7～8級，未見1級或更粗的晶粒，組織狀態基本正常。開裂部位的金相組織顯示，主裂紋及分支裂紋均呈現枝杈狀沿晶開裂的形態分布，同時，主裂紋及分支裂紋兩側的組織存在明顯的脫碳現象，裂紋細小且內部明顯氧化，說明裂紋形成于溫度較高的階段，具有較為典型的熱加工過程中形成的鍛造裂紋的特征，如圖2所示。

圖2  開裂動葉片各部位金相組織

05力學性能測試

從開裂的中壓轉子動葉片上取樣進行硬度測試，結果見表3。可以看出，2Cr11NiMoVNbNB動葉片材料的布氏硬度符合標準要求；葉片材料的沖擊吸收能量處于標準要求下限水平，韌性裕量不足。

表3 中壓轉子動葉片硬度測試結果

2葉片開裂原因分析

從開裂形貌分析，中壓轉子動葉片的開裂點位于葉根根面平臺處，裂紋平直、開口細小、沿葉片軸線方向分布，其分布狀態及特征與汽輪機葉片運行過程中形成的典型開裂缺陷特征不相符。開裂處斷口齊平，表面銹蝕嚴重，從銹蝕嚴重程度判斷裂紋形成于較高的溫度條件下。斷口微區形貌顯示，盡管斷口表面氧化嚴重，但局部仍可以觀察到較為清晰的沿晶斷裂形貌。

從化學成分分析，中壓轉子動葉片的主要合金成分中P元素含量高于標準允許的上限值一倍以上。有害元素P的過量存在，易在葉片材料的晶界處形成脆性夾雜物，在進行鍛造等熱加工過程中易沿夾雜物處形成裂紋。

從金相組織分析，中壓轉子動葉片的基體組織未見明顯異常。開裂處主裂紋及分支裂紋均呈現枝杈狀沿晶開裂的形態分布，主裂紋及分支裂紋兩側的組織存在明顯的脫碳現象且內部明顯氧化，說明裂紋形成于溫度較高的階段，具有較為典型的熱加工過程中形成的鍛造裂紋的特征。

從力學性能分析，中壓轉子動葉片2Cr11NiMoVNbNB動材料的布氏硬度符合標準要求；葉片材料的沖擊吸收能量處于標準要求下限水平，韌性裕量不足，這有可能與材料中雜質元素P含量偏高，造成材料脆性增大相關。

參考文獻：

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