邓 辉,吴文生,吴旭良,袁红玉,谢照增
(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，中南电力试验研究院，郑州 450000；
2.国网河南省电力公司技能培训中心， 郑州 450000；
3.大唐三门峡电力有限责任公司，三门峡 472001)
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1 596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-97 kPa。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。
1.1 宏观形貌
观察随机选取开裂销钉的形貌，其实测尺寸约为φ10.33 mm×145 mm。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) and corrosion area magnified morphology (b) on right side of cracked pin
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/T 1299-2014对4Cr5MoSiV1钢的成分要求。
表1 开裂销钉的化学成分
图2 开裂销钉中非金属夹杂物的形貌Fig.2 Morphology of non-metallic inclusion of cracked pin
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Leica DMi8 C型光学显微镜观察非金属夹杂物形貌，并依据GB/T 10561-2005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/T 1299-2014，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Leica DMi8 C型光学显微镜观察显微组织，并按照GB/T 6394-2017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。
表2 开裂销钉中非金属夹杂物级别
图3 开裂销钉以及未开裂销钉的显微组织Fig.3 Microstructure (a-e) of cracked pin and uncracked pin (f): (c) cracked pin, white area enlarged;(d) cracked pin, grey area enlarged and (e) cracked pin, black area enlarged
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Leica DMi8 C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。
图4 开裂销钉裂纹1抛光前不同位置及抛光后位置1处的微观形貌Fig.4 Micromorphology at different spots before polishing (a-c) and at position 1 after polishing (d-f) of crack 1 of cracked pin:(a) position 1; (b) position 2; (c) position 3; (d) at low magnification; (e) at middle magnification and (f) at high magnification
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。
图5 开裂销钉裂纹2原始断口宏观形貌与清洗前后微观形貌Fig.5 Macromorphology (a) and micromorphology (b-c) of crack 2 original fracture of cracked pin before (a-b) and after cleaning (c)
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。
图6 开裂销钉裂纹2原始断口裂纹源区的SEM形貌及EDS谱Fig.6 SEM morphology (a) and EDS patterns (b-c) of crack source of crack 2 original fracure of cracked pin:(b) position 3 and crack source of (c) position 5
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。
图7 开裂销钉裂纹1分支裂纹尖端的SEM形貌及EDS谱Fig.7 SEM morphology (a) and EDS patterns (b-c) of crack 1 branch crack tips of cracked pin:(b) position 1 and (c) position 2
1.7 力学性能
厂家提供的技术要求如下：抗拉强度1 650～1 800 MPa，屈服强度1 310～1 600 MPa，洛氏硬度45～52 HRC。
根据GB/T 230.1-2018，采用Wilson R574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5 mm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/T 229-2020，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
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1 250 ℃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 ℃×2 h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 ℃×4 h，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。
(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。