(2.60)--叶片断裂-装配问题金属构件失效分析.ppt

案例案例2 漳平电厂漳平电厂1号机叶片断裂失效分析号机叶片断裂失效分析1、背景、背景2 检查、试验检查、试验2.1宏观检查宏观检查2.2 2.2 断口微观检查断口微观检查23化学成分化学成分24硬度测试硬度测试25 冲击试验冲击试验26 金相检查金相检查 3 分析分析4 结论结论1、背景、背景 漳平电厂漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽式号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽式汽轮机，其高压转子第汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为级叶片材料为2Cr13。1998年年4月大月大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一个叶长，有一个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修复工作片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修复工作由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为：拆除由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为：拆除5段围段围带及带及43片叶片，更换断裂和受损的片叶片，更换断裂和受损的2个叶片及损坏的个叶片及损坏的2段围带，段围带，复装后叶片与围带采用焊接固定，并对复装后叶片与围带采用焊接固定，并对2段围带铆钉头弹起的段围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运行。部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运行。2000年年5月月7日，日，汽轮机出现异常响声，且振动不断加剧，揭缸后发现高压转汽轮机出现异常响声，且振动不断加剧，揭缸后发现高压转子第子第8级叶片丢落级叶片丢落19个，部分围带脱落，第个，部分围带脱落，第9级叶片及级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形。对照级部分隔板磨损变形。对照1998年年4月大修记录，发现此次月大修记录，发现此次丢落的丢落的19个叶片大部分为当时修复处理过的叶片。由于此次个叶片大部分为当时修复处理过的叶片。由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为严重，故把整个转子送到制造叶片断裂事故对转子损伤较为严重，故把整个转子送到制造厂修复。为了找出叶片断裂的原因，开展了一系列的失效分厂修复。为了找出叶片断裂的原因，开展了一系列的失效分析工作。析工作。2 检查、试验检查、试验2.1宏观检查宏观检查检查发现丢落的检查发现丢落的19个叶片的断裂部位均位于叶片倒形槽根个叶片的断裂部位均位于叶片倒形槽根部的横断面上（见图部的横断面上（见图1），），肉眼观察断口表面呈红褐色和灰褐色，肉眼观察断口表面呈红褐色和灰褐色，有锈斑有锈斑。断口平坦并分断口平坦并分成两个区成两个区，其中，其中大面积区呈光滑状，小面积区呈纤维状大面积区呈光滑状，小面积区呈纤维状，个别，个别断口几乎全部呈光滑状。拆卸时发现断口几乎全部呈光滑状。拆卸时发现叶片根部装配较松叶片根部装配较松，极易，极易取下。取下。2.2 2.2 断口微观检查断口微观检查断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍（断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍（10倍）观察，倍）观察，发现有发现有典型的疲劳断裂特征典型的疲劳断裂特征，即有三个区域组成：疲劳源，疲，即有三个区域组成：疲劳源，疲劳裂纹扩展区（颗粒状脆性断裂区）和最终快速断裂韧性纤维劳裂纹扩展区（颗粒状脆性断裂区）和最终快速断裂韧性纤维区，其中疲劳源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积。图区，其中疲劳源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积。图2为疲劳源为疲劳源和疲劳裂纹扩展区，从中能明显观察到和疲劳裂纹扩展区，从中能明显观察到贝壳状条纹贝壳状条纹，这是疲劳，这是疲劳断裂典型特征。断裂典型特征。进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段（见图进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段（见图3、4），这些线），这些线段不是平滑的，它是疲劳过程引起不稳定滑移面上快速的裂纹扩展段不是平滑的，它是疲劳过程引起不稳定滑移面上快速的裂纹扩展造成的。此外，还能观察到裂纹的存在，且从源区向心部发展。在造成的。此外，还能观察到裂纹的存在，且从源区向心部发展。在疲劳裂纹扩展区，则能观察到颗粒状脆性断裂特征。疲劳裂纹扩展区，则能观察到颗粒状脆性断裂特征。断口开裂以穿断口开裂以穿晶断裂晶断裂为主，无沿晶断裂迹象，也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断为主，无沿晶断裂迹象，也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断口形貌。口形貌。快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂。24硬度测试硬度测试 断裂叶片根部侧面布氏硬度测试结果见表断裂叶片根部侧面布氏硬度测试结果见表2。表。表2表明，表明，断裂叶片的硬度值略偏高，推测叶片材料的强度较高。断裂叶片的硬度值略偏高，推测叶片材料的强度较高。23化学成分化学成分 分析损坏叶片取样分析结果见表分析损坏叶片取样分析结果见表1。从表。从表1可以看出，可以看出，损坏叶片材料的化学成分合格。损坏叶片材料的化学成分合格。25 冲击试验冲击试验 26 金相检查金相检查 选选取取断断裂裂叶叶片片根根部部侧侧面面进进行行金金相相检检查查分分析析，首首先先对对未未浸浸蚀蚀的的试试样样表表面面进进行行检检查查，发发现现其其中中一一个个倒倒形形槽槽的的根根部部还还存存在在微微裂裂纹纹（微微裂裂纹纹平平直直且且走走向向平平行行于于断断口口表表面面）。用用氯氯化化铁铁盐盐酸酸水水溶溶液液浸浸蚀蚀试试样样表表面面后后观观察察其其金金相相组组织织为为具具有有位位向向的的回回火火索索氏氏体体（见见图图6），图图7为为带带微微裂裂纹纹处处的的金相照片，金相照片，组织状态正常组织状态正常。3 分析分析(1)断断裂裂叶叶片片的的金金相相组组织织为为正正常常的的回回火火索索氏氏体体，材材料料化化学学成成分分合格，主要性能指标也基本正常。合格，主要性能指标也基本正常。(2)叶叶片片断断裂裂部部位位在在倒倒*形形槽槽根根部部的的横横断断面面上上，亦亦即即在在应应力力集集中中部部位位，是是裂裂纹纹源源萌萌生生地地，断断口口具具有有典典型型的的疲疲劳劳断断裂裂特特征征，裂纹扩展属裂纹扩展属穿晶走向穿晶走向。(3)叶叶片片根根部部疲疲劳劳断断裂裂与与装装配配质质量量有有关关，高高压压转转子子叶叶片片安安装装时时通通常常要要求求根根部部紧紧配配合合，但但裂裂断断的的第第+级级叶叶片片根根部部却却是是松松配配合合，遂遂导导致致叶叶片片在在运运行行过过程程中中产产生生振振动动并并传传至至根根部部，根根部部与与叶叶轮轮槽槽表表面面产产生生摩摩擦擦，从从而而使使根根部部表表层层晶晶粒粒持持续续滑滑移移带带极极易易萌萌生生裂裂纹纹，即即产产生生疲疲劳劳源源，随随后后裂裂纹纹不不断断扩扩展展，最最终造成根部疲劳断裂。终造成根部疲劳断裂。(4)断裂的断裂的19个叶片中，大部分断口都属于疲劳断口，这表个叶片中，大部分断口都属于疲劳断口，这表明在叶片发生大面积断裂前，其根部已产生或大或小的疲明在叶片发生大面积断裂前，其根部已产生或大或小的疲劳裂纹，最后导致部分叶片先断裂，并引起其余叶片提前劳裂纹，最后导致部分叶片先断裂，并引起其余叶片提前断裂。断裂。4 结论结论漳平电厂漳平电厂1号机高压转子第号机高压转子第+级叶片大面积断裂的主要原因是级叶片大面积断裂的主要原因是装配时叶片根部间隙偏大，在运行过程中叶片振动引起根部装配时叶片根部间隙偏大，在运行过程中叶片振动引起根部产生疲劳裂纹源产生疲劳裂纹源，随着疲劳裂纹的不断扩展，最终导致叶片，随着疲劳裂纹的不断扩展，最终导致叶片疲劳断裂。疲劳断裂。