某電廠汽輪機多處葉片斷裂，究其原因居然是腐蝕造成的？

在電廠的所有失效事故中，汽輪機葉片失效所占比例最大。疲勞斷裂是汽輪機葉片失效類型中最常見的一種。汽輪機葉片所處的工況條件及環境極為惡劣，主要表現在應力狀態、工作溫度、環境介質等方面。當葉片發生斷裂時，斷口往往出現在葉片中部和葉片根部。在工作過程中，汽輪機動葉片承受的是轉子旋轉時離心力引起的拉應力，蒸汽流壓力引起的彎曲應力和扭力；葉片受激振力作用會產生強迫振動，甚至引起共振，復雜的交變應力最終會導致葉片疲勞斷裂。汽輪機的每一級葉片工作溫度都不相同，第一級葉片所處的溫度最高（500℃以上），隨后由于蒸汽逐級作功，溫度逐級降低，至末級葉片會降到100℃以下，蒸汽在汽輪機運行中易在末級葉片處凝結成小水滴，若蒸汽內存在腐蝕性元素，會與水形成電解液，吸附在葉片表面，形成微電池，造成電化學腐蝕。這些局部腐蝕點將成為葉片的薄弱點，失效也往往從這里起源。

圖1 汽輪機葉片斷裂形式

某電廠在汽輪機檢修過程中發現汽輪機末5級（共17級）多處葉片斷裂。斷裂汽輪機葉片如圖1所示，圖1a）為葉片從根部斷裂，圖1b）為葉片從中部斷裂。為分析葉片斷裂原因，筆者對斷裂葉片進行了檢驗與分析。

理化檢驗

宏觀分析

取4片汽輪機斷裂葉片進行分析，目視檢查發現其中3片葉片斷裂位于葉片根部，1片葉片斷裂位于葉片中部，將葉片根部斷裂的3片葉片分別命名為1，2，3號試樣，將葉片中部斷裂的葉片命名為4號試樣，4個試樣的斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖2 葉片斷口宏觀形貌

根據斷口形貌可將葉片斷面分為A，B，C3個區域，葉片斷面A區到B區較為平整，顏色從青黑色向青灰色過渡，判斷A區為斷裂源區；斷面B區存在貝殼狀花紋，可判斷B區為裂紋擴展區；斷面C區存在呈45°方向的剪切唇形貌，為瞬斷區典型特征；該4片斷裂汽輪機葉片的斷口均為典型的疲勞斷口，其中1號試樣斷口表面被白色物質覆蓋。

金相檢驗

對4號試樣進行金相檢驗，其顯微組織形貌如圖3所示，可見其顯微組織為回火索氏體，為正常顯微組織。

圖3 葉片顯微組織形貌

斷口微觀分析

對1~4號試樣斷口表面進行掃描電鏡（SEM）分析，結果如圖4所示。

圖4 斷口SEM形貌

可見1~3號試樣斷面上存在大量腐蝕產物；4號試樣斷裂源區存在大量腐蝕坑，有較多二次裂紋，并具有泥紋花樣。

斷口能譜分析

對1號試樣的斷口表面白色附著物及2~4號試樣的斷口表面進行能譜（EDS）分析，結果見圖5及表1，可見斷口表面存在鈉、氯、硫等腐蝕敏感元素。

圖5 汽輪機葉片斷口的EDS分析位置和EDS譜

表1 汽輪機葉片斷口EDS分析結果（質量分數）%

分析與討論

由金相檢驗結果可知，葉片材料的顯微組織為回火索氏體，為正常顯微組織；由宏觀分析可知，葉片斷面形貌可清晰地分為斷裂源區、裂紋擴展區和瞬斷區。裂紋擴展區存在貝殼狀花紋，瞬斷區呈45°方向的剪切唇形貌，為典型的疲勞斷口形貌；由SEM和EDS分析可知，斷面存在大量腐蝕產物，有較多二次裂紋，并具有泥紋花樣，存在鈉、氯、硫等腐蝕敏感元素，表明該汽輪機葉片斷裂屬于典型的腐蝕疲勞斷裂。

隨著過熱蒸汽的膨脹作功，末幾級葉片工作溫度逐漸降低（60~100℃），壓力逐漸減小，蒸汽在此處易凝結成小水滴，蒸汽環境中的Cl－，S2－，Na＋等在液態水中濃縮聚集，形成電解液，被葉片金屬吸附在表面，從而形成微電池，葉片上產生局部點腐蝕，形成腐蝕疲勞源。汽輪機葉片承受巨大離心力引起的拉應力（靜應力）和蒸汽流的壓力作用產生的彎曲應力和扭力，同時激振力致使產生強迫振動甚至引起共振，使得汽輪機葉片承受的交變應力急劇增加。在上述周期性交變應力的作用下，葉片產生疲勞裂紋，裂紋逐步擴展，最終因強度不足而斷裂；一處葉片斷裂后，轉子動平衡遭到破壞，振動陡增，加之斷裂葉片的撞擊，加速了其余葉片的斷裂。

該汽輪機末5級葉片位于機組低壓加熱器的進汽口之間，且低壓加熱器未投入運行。在運行過程中蒸汽不可避免進入低壓加熱器進汽口，蒸汽在低壓加熱器的進汽口附近極易凝結成液態水，并伴隨著葉輪的旋轉，液態水同蒸汽一同作用于葉片表面，加劇動葉片汽蝕。為方便敘述，特將此現象類比我國古代灌溉工具水車命名為“水車”現象。汽輪機某些葉片經常處于類似于此類位置的加熱器或者閥門處，蒸汽不可避免地會在此類位置凝結成水，加劇了汽輪機葉片的汽蝕。

結論及建議

該汽輪機葉片斷裂屬于典型的腐蝕疲勞斷裂，蒸汽與Cl－，S2－，Na＋等在葉片上產生局部點腐蝕，形成腐蝕疲勞源，同時因葉片存在離心力和蒸汽壓力等復雜的周期性交變應力，最終造成了汽輪機葉片的腐蝕疲勞斷裂。

建議加強水質的控制與監測，減少水中的腐蝕性離子；在運行過程中要避免急啟、急停和工況的大幅變化，盡量減小交變應力和機組振動。

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