叶片叶轮类失效分析实例.docx

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叶片叶轮类失效分析实例

叶片、叶轮类失效分析实例

叶片按其工作性质可分为动叶片及静叶片两种类型。

动叶片又称为工作叶片，主要起传递动力的作用；静叶片又称为导向叶片，主要起导向流体的作用。

叶片在运转时，主要受拉压、弯曲、扭转等应力的作用；除此之外，叶片还受到激振的作用，其振动频率对叶片的寿命有较大的影响。

叶片的失效形式，主要是疲劳失效；但也可能出现应力腐蚀开裂、塑性变形等失效形式。

在疲劳失效中，尤其是动叶片疲劳失效，往往是振动起很大作用；应当指出，微振失效也是叶片失效的重要形式之一。

按叶片的断裂或损伤的部位划分失效类型，可分为三种类型：

（1）叶身断裂失效；

（2）叶根断裂失效；

（3）叶冠或叶顶失效。

本部分除了介绍叶片失效分析实例之外，还介绍了叶轮、风轮、螺旋桨等失效的实例，供读者参考。

汽轮机叶片断裂失效分析

1．燃气轮机的静叶片断裂失效

燃气轮机的静叶片材质为1Crl3钢，经调质处理后使用。

装机运行不久就发现静叶片断裂失效。

拆机检查，用肉眼或放大镜观察，发现静叶片的断口形貌较平滑，具有疲劳断裂的宏观形貌特征；另外还观察到静叶片的自由端损伤较严重。

在正常情况下自由端是不接触任何物体的，但由于装配间隙较小，在运转时可能碰触侧壁而损伤。

静叶片断口的宏观外貌如图1所示。

箭头指示处为裂源。

用电子显微镜观察，进一步证实裂源的微观形貌特征为准解理断裂，裂纹扩展区的微观形貌特征为疲劳辉纹标记，如图2所示。

与振动疲劳断口相比较，静叶片断口的疲劳辉纹形态与其极为相似，因此可认为静叶片是由于装配不当引起的振动疲劳断裂。

图1OPI

图象说明：

燃气轮机静叶片断口宏观外貌，箭头指示处为裂源。

图象说明：

燃气轮机静叶片电子断口形貌，具有准解理断裂及疲劳断裂形貌特征；箭头指示处为准解理花样。

图2TEM5000×

2.30万千瓦汽轮发电机叶片失效

失效叶片为大型汽轮机组上的动叶片，安装于某厂30万千瓦发电机上，材料为2Crl3钢经调质处理，使用数年后在检修时发现有裂纹。

失效叶片外观形貌如图3所示，将其放大后裂纹外观形貌如图4所示。

把失效叶片裂纹打开，其断口宏观形貌如图5所示。

从叶片断口的宏观、微观形貌特征，说明叶片具有腐蚀疲劳断裂特征。

叶片工作时蒸汽的冲力使排气侧处于较高的拉应力状态，高温蒸汽提供了腐蚀性的环境，使叶片形成腐蚀疲劳裂纹。

这种情况在汽轮机动叶片上曾多次出现。

图3OPI

图象说明：

失效叶片宏观外貌，可观察到有一裂纹，根据裂纹的外形可知裂源起始于叶片的排气侧，向进气侧扩展。

图象说明：

叶片裂纹外形的放大象，其裂纹平直且与叶片纵向相垂直。

图4OPI

图象说明：

打开裂纹后叶片的断口宏观形貌，断口表面有一层棕褐色的腐蚀物覆盖，近源区断面呈细颗粒状，裂纹扩展区能观察到疲劳断口的贝壳纹特征。

贝纹线的凸弧面指向叶片进气侧，这表明疲劳裂纹是由排气侧向进气侧扩展。

图5OPI

3．汽轮机（129）机组第10级动叶片断裂失效

汽轮机（129）机组第10级动叶片材料为2Crl3钢。

2Crl3钢材料的热处理工艺为：

1000℃保温30分钟，油淬，700℃回火，保温180分钟，空冷。

汽轮机（129）机组在运行过程中，经常发生第10级动叶片断裂失效。

汽轮机（129）机组第10级动叶片断口形貌如图6所示。

叶片宏观断口形貌特征可分为四个区域：

A区为裂源区；B区为裂纹扩展区；C区为瞬时断裂区；D区为剪切唇区。

A区靠近叶片的排气侧。

断口表面较粗糙，有一些腐蚀锈斑。

B区断口表面较平坦，具有明显的疲劳前沿线或贝壳状条纹等宏观形貌特征。

从疲劳前沿线扩展的趋势可知，疲劳裂纹是由A区向B区扩展的。

C区接近进气侧，断口表面凹凸不平，具有快速撕裂的形貌特征，裂纹是由D区向C区快速扩展的。

D区即剪切唇区，断口表面呈现鹅毛状，且具有金属光泽，有一定的倾斜角度，是裂纹的最终断裂区。

汽轮机（129）机组第10级动叶片断裂为腐蚀疲劳开裂。

图6OPI

图象说明：

汽轮机（129）机组第10级动叶片断口宏观形貌，按其特征可将叶片断口划分为A、B、C、D四个区域，即裂源区、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区及剪切唇区。

压缩机叶片失效分析

1．空气压缩机叶片失效

失效的空压机是国外引进的化工设备。

现场调查看到空压机的轴流段所有调节叶片和导流叶片都产生不同程度的损坏，破坏尤为严重的是前1—2级，往后逐级减轻。

从轴流段整个叶片破坏情况分析，可能是由于1、2级中的几个叶片先断裂，然后引起其它叶片失效，后来还发现空压机离心段第一级叶轮导流叶片有一片断裂。

从轴流段一级调节叶片中取样，其断口宏观形貌如图7所示。

图中白箭头所指是先开裂部位，称老断口，黑箭头指的是人为机械打开部位，称新断口，离心段导流叶片断口宏观形貌如图8所示。

综上所述，空压机叶片产生断裂原因主要是由于热处理工艺不严格，热处理温度偏高，使组织粗大，疲劳强度降低；其次，设计不合理，没有防喘振装置，并且在安装时未做数次喘振试验，而在工作过程中又经常产生喘振现象，最后由于振动导致了疲劳断裂。

图7OPI

图象说明：

轴流段调节叶片宏观断口，老断口（白箭头）呈铁灰色，上面有腐蚀层；新断口（黑箭头）呈灰色，有金属光泽。

图象说明：

离心段导流叶片，断口表面光滑，呈灰色，有海滩状条纹出现。

图8OPI

3．船用增压器叶片断裂失效

船用GZ750型叶片，材质为17/13W合金钢，叶片的额定转速为1600转／分，最高转速为8500转／分，常用转速为2000、7600转／分。

叶片已经运行了500小时，工作温度为350℃。

叶片断裂的部位是叶根第一榫齿齿槽处。

GZ750型增压器叶片实物外貌如图9所示。

叶片断口宏观形貌特征如图10所示。

断口表面是经过清洗后的形貌，原断口表面是黑色的，这说明叶片的断裂与外界环境有联系。

在图10中用肉眼很容易看出疲劳贝壳条纹特征，其面积占全断面的2／3左右，因此可以说此断口是疲劳断口。

另外，还可以看出裂纹是由排气侧叶根第一榫齿齿槽处向内扩展。

裂源位于排气侧叶根第一榫齿齿槽的尖角处附近如图11所示，箭头指示处为二次裂纹，这表明尖角附近存在着较大的应力集中现象。

通过上述分析可知，船用GZ750型增压器叶片断口为典型的疲劳断口，穿晶型断裂，疲劳源位于叶片排气侧的叶根第一榫齿槽的尖角处。

其断裂原因是由于下列缺陷所致：

（1）叶根尖角处容易产生应力集中现象，应改进叶根形状使之不产生尖角，消除应力集中现象。

（2）17/13W材料中的氮化物夹杂比较多，尤其是夹杂物聚集现象应消除。

总之，由于尖角处本身易产生应力集中，再加上夹杂物聚集，因而使尖角处成为薄弱环节，疲劳裂源易于在此萌生。

图9OPI

图象说明：

船用GZ750型增压器叶片宏观外貌，裂纹在叶根的排气侧第一榫齿齿槽处，如箭头所指。

图象说明：

船用GZ750型增压器叶片断口宏观外貌，具有明显的疲劳贝壳状条纹。

从疲劳贝壳状态条纹的发展趋势可知，疲劳裂源在尖角处。

图10OPI

图11OMI10×

图象说明：

裂源区的放大图象，具有细小的放射条纹，汇聚处在尖角附近，即裂源的位置。

另外，在裂源区还观察到二次裂纹，如箭头指示。

叶轮失效分析

1．柴油机增压器压气机叶轮断裂失效

增压器压气机叶轮材料为ZL110铅合金，精密铸造成型，其热处理工艺为：

525±10℃保温6小时，水淬，180±10℃人工时效8小时。

在柴油机增压器的压气机上使用时，叶轮转速为n=43000转/分，经过4小时实际运行后发生断裂失效，叶轮断口宏观形貌持征如图12、13所示，由宏观断口可看出，裂源靠近齿根部分，并有擦伤条纹。

图象说明：

叶轮与叶片断裂，两个叶片发生变形，叶轮其它部位均完好无损。

图12OPI

图13OPI

图象说明：

断口表面有明显的机械擦伤条纹；裂源靠近叶片根部分，断口表面较平整，靠近叶片尾部有快速撕裂形貌特征。

2．5100型柴油机导风轮失效

失效导风轮材料为LD铝合金，经淬火及时效处理，工作时最高转速15600转/分，通常情况下工作转速为10000~12000转/分，使用约50小时后发现导风轮的其中一叶片上产生裂纹。

其外观形貌如图14所示。

宏观观察断口，可看到贝壳状条纹如图15所示。

采用塑料-碳二级复型方法制样，在透射电镜下进行观察，可清楚看到有疲劳辉纹和腐蚀产物如图16所示。

图14OPI

图象说明：

失效导风轮叶片的宏观形貌，其中一叶片已产生裂纹，裂纹产生的位置如图中箭头所示（此裂纹已被切割用于分析）。

图象说明：

割下有裂纹的叶片，然后沿裂纹处打开后的宏观断口形貌。

在断口上测出裂纹长24mm左右，断口上能观察到贝壳纹特征，断口靠裂纹源部分有一层浅灰色腐蚀产物覆盖，裂源起始于叶根，裂纹由进气侧向背弧侧扩展。

图15OPI

图16OPI

图象说明：

断口TEM图象，具有疲劳辉纹特征，并能观察到河流条纹与疲劳辉纹相垂直的形象。

3．船用螺旋桨断裂失效

断裂螺旋桨是1000吨位的军用舰艇上使用的螺旋桨，用铝黄铜砂模铸造成型，未经去应力退火，下水仅一年，实际运行时间约635小时，发生桨叶断裂事故，其中一片桨叶断裂后掉人海中未找到。

断裂桨叶的外观形貌如图17所示。

在一未断的桨叶上发现有一条裂纹如图18所示。

沿裂纹用机械方法压丑其断口宏观形貌如图19所示。

上述断口及金相分析结果，说明螺旋桨断裂具有氯离子气氛中应力腐蚀开裂的特征，而螺旋桨制造时未经退火，使残余应力较高，桨叶距中心

~

处的工作应力最高，为该处产生应力腐蚀开裂提供了足够的应力条件。

采用模拟应力腐蚀试验结果证实，该材料在海水中易产生应力腐蚀开裂，离子探针对断口表面黑色腐蚀层分析结果也发现有较高的氯元素，可见螺旋桨的失效属在海水介质中的应力腐蚀失效。

图17OPI

图象说明：

断裂事故发生后的螺旋桨整体形貌，其中一个桨叶的一半已掉入海中。

断裂位置距中心

~

处。

图象说明：

在另一末断的桨叶上仔细检查结果，同样在距中心

~

处发现有一条长达180mm的裂纹，如图中箭头所示。

图为从桨叶上切割下的带裂纹的一块试样。

图18OPI

图19OPI

图象说明：

沿裂纹用机械方法压开后其断口形貌，呈圆弧形的表面灰褐色的断口部分为原裂纹部分，其余有金属光泽且带有人字纹特征的部分为压开后的新鲜断口。