金属分析法在汽轮机叶片断裂中的应用文档格式.docx

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一．背景

汽轮机是发电设备的三大主机之一。

汽轮机的转动部分总称转子。

它是由大轴、叶轮、

叶片及其它部件所组成，是汽轮机最重要的部件之一。

高速旋转的转子承受很大的离心力，并传递作用在动叶片上蒸汽产生的扭矩。

叶片在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械能的重要任务，其在转子上高速转动，由于其工作状态十分复杂，在高温、高转速情况下，既承受巨大的离心力，又要承受蒸汽力、蒸汽激振力，还可能产生弯曲、振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的作用等，因而容易发生各类失效事故。

因而对叶片在设计、制造、检修及运行个方面都提出了很高的要求，以保证安全可靠的运转。

汽轮机因叶片断裂等原因而造成的事故时有发生，运行中汽轮机叶片断裂不仅导致了设备的加剧损坏和延长停机检修时间，更将直接影响电站的安全可靠供热发电，造成十分巨大的损失。

因此应及时分析判断汽轮机叶片断裂的原因，以采取必要的处理和预防措施。

可以看到，对材料的科学分析是获得先进材料的核心环节，使用科学的分析法分析材料对于减少生产实践中的事故有着重要的借鉴意义，结合本课题，应用材料分析法对汽轮机叶片断裂情况进行研究目的就在于此。

典型的材料分析方法很多，包括X射线多晶衍射分析（XRD），透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（STM）及电子探针（EDS），表面分析技术，热分析技术，光谱分析技术等，考虑到实际应用中的要求，一般在材料研究时都是几种方法结合起来，以期对金属失效等材料问题有深入的认识。

针对本课题，主流多考虑采用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（STM）对叶片断裂机制进行分析研究。

2．分析方法介绍

2.1透射电子显微镜（TEM）

2.1.1简介和原理

透射电子显微镜（英语：

Transmissionelectronmicroscope，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。

散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。

通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。

透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：

吸收像：

当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。

样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。

早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。

衍射像：

电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。

相位像：

当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。

2.2扫描电子显微镜（STM）

2.2.1简介和原理

扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。

扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；

②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；

③试样制备简单。

目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析。

扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。

通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。

当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。

同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。

3．分析过程

了解以上的两个分析法后，我们就可以结合具体的例子进行材料分析。

查阅文献，分析实例和具体步骤如下：

实例：

某厂型号为CC50-90/42/15的汽轮机组在1996年3月6日23：

00时，机组运行中振动突然增大，揭缸后检查发现，末级第64号叶片在叶长大约1/3处断裂，断裂的叶片因受高速撞击，其边缘已产生严重卷曲变形，如图3-1所示，同时，也造成其它20余片叶片的撞伤。

对全部末级叶片进行渗透探伤，结果发现，有14片叶片上存在长度不同的穿透型裂纹，有的叶片上有多条裂纹。

图3-1断裂叶片卷曲变形

对断裂的叶片进行以下试验和测试：

①金相分析；

②宏观断口分析；

③微观断口分析；

④X射线能谱分析。

3.1金相分析

叶片基体金相组织如图3.2、图3.3所示，可以看到，经过高温回火后，其最终

组织为回火索氏体，部分区域的回火索氏体还保留板条马氏体的位向，其中还有少量

的碳化物，呈均匀分布，为正常组织。

图3.2叶片金相组织（200×

）

浸蚀液：

三氯化铁酸溶液

图3.3叶片金相组织（200×

图3.3还显示了裂纹附近的组织状况，可以看到，裂纹产生于排汽边，并向进汽

边发展。

3.2宏观断口分析

图3.4显示了叶片的宏观断口，图3.5是叶片的排汽边附近的汽蚀情况，可以看

出，叶片的汽蚀情况是较重的。

通过对断口宏观观察发现，排汽边断面与叶片纵轴线近似垂直，为水平断口，进汽边为倾斜断口，是最后瞬断区，在断裂的叶片截面上，可看到明显的贝壳疲劳纹，而贝壳纹的圆心指向排汽边。

图3.4叶片的断面

图3.5叶片的汽蚀形貌

3.3微观断口分析

用JESM-6300扫描电镜观察断口形貌，如图3.6—图3.10所示。

图3.6、3.7断口上均匀的贝壳纹

图3.8、3.9断口上较大的疲劳台阶

图3.10排汽边边缘沿晶断裂形貌

图3.6可观察到明显的贝壳花纹，而贝壳纹是疲劳断口的重要形貌特征。

对疲

劳断口而言，贝壳纹的变化也反映了负荷变动情况，在图3.6、图3.7中，其受力

较小，负荷变化不大，疲劳裂纹扩展缓慢，贝壳纹间距变化均匀，而在图3.8中，贝

壳纹间距变化很大，且不规则，说明受力较大，负荷变化也无规律。

图3.9是断口上

快速扩展的台阶。

图3.10显示了叶片排汽边边缘沿晶断裂形貌，该处汽蚀十分严重，

是造成沿晶断口的原因。

此外，从断口上还可以观察到较多的二次裂纹，见图3.11和图3.12，二次裂纹

是随疲劳裂纹的扩展而产生的，二次裂纹的出现反映其环境状况较差。

图3.11、图3.12断口上的二次裂纹特征

断口上疲劳辉纹的形貌特征见图3.13、图3.14。

图3.13、图3.14断口上疲劳辉纹特征

从辉纹特征图可以看出，其辉纹间距（D）约在5µ

m左右，叶片宽度（L）约为70mm，

按经验公式，循环周次T=L/D=1.4×

105周次,正处于低周疲劳与高周疲劳的临界点,同时,断口上还出现了许多宽度在几十µ

m甚至几百µ

m的疲劳台阶,因此,其循环周次大大低于10

5，应属低周疲劳。

图3.15瞬断区韧窝断口

在疲劳断口的瞬断区，可以观察到断口具有韧窝花样及二次裂纹特征，见图3.15，

与疲劳区交界处还可以看到疲劳快速扩展所产生的较宽的台阶。

3.4X射线能谱分析

经过仔细观察，发现叶片局部表面有覆盖物，形貌见图3.16和图3.17。

表面覆盖物的可能来源有：

（1）、水（蒸汽）中离子结垢；

（2）、叶片断裂后受到的二次污染。

图3.16未清洗前叶片表面低倍形貌图3.17放大的表面形貌

对表面的覆盖物质进行X射线能谱分析，相应结果见图3.18和表3.1，其产物中

含有较高浓度的Si、S、Cl、K、Ca等元素。

将断裂下来的叶片及其对偶断口进行丙酮超声波清洗，发现其表面仍有许多腐蚀。

产物，其表面形貌如图3.20所示，成分分析的结果见图3.19和表3.2，结果显示，其表面产物中，含有较高的Si、S、Cl、K、Ca等元素。

其中较高含量Cl离子的存在，极易造成叶片的腐蚀。

图3.18叶片清洗前表面能谱图图3.19叶片断口能谱图

表3.1叶片清洗前表面成分

表3.2断面表面成分

图3.20清洗后断口表面腐蚀产物形貌

4．分析结果

根据以上分析，可以得出如下结论：

（1）叶片的断裂系疲劳所至，疲劳源产生于叶片的排汽侧，主要是在此部位一方面承受了较高的应力应变（如负荷过大等），另一方面，由于汽蚀作用，在叶片边缘部位形成了较尖锐的沟槽，改变了叶片表面的应力状态，使裂纹更容易在此部位出现并得到扩展；

（2）疲劳贝纹的非均匀性和很宽的疲劳台阶，说明该机组运行时负荷变化较大；

（3）工作介质的冲刷，对疲劳源的产生和扩展起了促进作用；

（4）由于疲劳裂纹的产生，是长期交变应力作用的结果，而该机组并没有长期超出设计范围的运行状况，包括升降负荷的操作，也基本按规程要求，因而，对于材料来说，高应力应变下产生疲劳裂纹，超出了材料的疲劳极限，但对于汽轮机组来说，却仍在机组设计范围之内，因而，对于50MW机组，在正常操作中出现此类事故，说明其设计存在严重问题，它只考虑了额定载荷和稳定工况下的情况，没有考虑在其规程范围之内的变工况和其它情况，导致长期运行后叶片的断裂。

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