叶片是电站汽轮机中完成能量转换的重要部件，汽轮机叶片工作条件恶劣，长期在高温、高压介质环境中做高速旋转，承受相当大的应力，同时还要传递动蒸气产生的扭矩，受力情况复杂。电站汽轮机有多级叶片，每级叶片又有多只叶片，只要其中一只叶片出现问题，就有可能发生事故，导致机组停运，造成重大经济损失。因此，汽轮机叶片的可靠性对火电机组安全、稳定运行有十分重要的意义。
蒙西某火电厂200MW机组在检修中发现汽轮机低压转子正反向次末级叶片叶身发生多处横向开裂。该汽轮机是哈尔滨汽轮机厂有限公司生产的，型号C145/N200-12.7/535/535，为超高压、一次中间再热、三缸两排气、单抽气冷凝式汽轮机，该机主蒸气温度为535℃，主蒸气压力为12.75MPa，再热蒸气温度535℃，再热蒸气压力2.18MPa。叶片材质2Cr13。次末级叶片发生开裂现象，给机组的安全稳定运行带了来极大的威胁。
本文对该汽轮机叶片开裂原因进行分析，并提出针对性建议，以防止同类型事故的再次发生，提高机组运行的安全性和可靠性。
（1）宏观形貌观察 从现场渗透检测结果可看出，开裂现象都发生在次末级叶片，开裂部位均位于叶片拉筋与叶根之间近拉筋侧，裂纹垂直于叶片长度方向，如图1所示。
对开裂叶片进行宏观观察，发现叶片进气侧表面存在大量腐蚀坑。选取开裂严重的一只叶片，将开裂部位打开进行断口宏观形貌检查。叶片断口表面齐平，未见明显的塑性变形，也未见明显的机械损伤等缺陷。断裂面是典型的疲劳断口，断口上初始断裂区、裂纹扩展区等特征区域清晰可辨，开裂起源于叶片出气侧边缘圆弧处，并向进气侧扩展，开裂方向与叶片长度方向垂直。起裂区所占面积较小，断口的大部分为扩展区，有典型的“海滩状”疲劳条带形貌，如图2所示。
图1 低压转子次末级叶片开裂渗透检测照片
图2 开裂叶片表面及断口宏观形貌
图3 叶片断口SEM形貌
（2）断口SEM检测 利用扫描电子显微镜（SEM）对断口进行观察，可以看出，断口初始断裂区呈现典型的“冰糖状”晶间开裂形貌，晶粒较为细小，伴生有较多的晶间裂纹；在近起裂区的断口边缘存在腐蚀坑，深度约为0.2mm，腐蚀坑内部可观察到明显“泥坑状”形貌，具有典型的应力腐蚀特征。扩展区则可明显观察到疲劳辉纹，具有典型的马氏体钢疲劳扩展特征形貌，如图3所示。
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（3）断口微区能谱分析 对开裂低压转子次末级叶片的断口进行微区能谱分析（EDS），如图4所示，从检测结果可以看出，在腐蚀坑内部有对马氏体不锈钢敏感的腐蚀性Cl-离子的存在，Cl-离子含量（质量分数）为0.38%。次末级叶片处于湿蒸气区域，由于汽水品质不佳，致使蒸气中携带有害Cl-离子，而使叶片表面的薄弱部位产生点状腐蚀。腐蚀发展到一定程度后，形成疲劳裂纹源，最终导致叶片开裂。
图4 叶片断口的EDS图谱
（4）金相组织检测 在低压转子次末级叶片表面开裂部位取样进行显微组织检测，可以看出，叶片的组织为等轴状均匀分布的、细小的回火马氏体组织，未见粗大的淬硬马氏体等异常组织，未见严重夹杂物缺陷。但组织中存在大量的腐蚀坑，并有自腐蚀坑衍生出的裂纹缺陷，如图5所示。
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（5）化学成分分析 对开裂的低压次末级叶片进行化学成分分析，结果如表1所示。可以看出，叶片化学成分符合GB/T 8732—2014《汽轮机叶片用钢》对2Cr13成分的技术要求。
（6）力学性能检验 对开裂的低压转子次末级叶片取样进行硬度和冲击性能检验，结果如表2所示。从表2可以看出，该低压转子次末级叶片的硬度、冲击吸收能量均符合GB/T 8732—2014《汽轮机叶片用钢》对2Cr13的技术要求。
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随访过程中，钩板组有5例内固定相关并发症，包括1例锁骨近端应力性骨折，患者拒绝再次手术予保守治疗，术后10个月取出内固定物；1例螺钉松动伴肩峰下骨溶解及3例取钉后X线提示明显肩锁关节炎，见图2。复合组无内固定松动断裂者，典型病例见图3。
图5 开裂叶片显微组织
表1 叶片化学成分（质量分数） （%）
项目 C Si Mn Cr Ni Cu S P实测值 0.19 0.29 0.26 13.00 0.17 0.18 0.005 0.028标准值0.16～0.24≤0.60 ≤0.60 12.00～14.00 ≤0.60 ≤0.30 ≤0.020 ≤0.030
表2 叶片力学性能检验结果
项 目 硬度HBW 冲击吸收能量/J实测值 243 56标准值 212～262 ≥27
（1）从断口形貌观察，低压转子次末级叶片表面存在大量腐蚀坑，叶片开裂起源于叶片出气侧边缘，并向进气侧扩展，开裂方向与叶片长度方向垂直。起裂区所占面积较小且表面较为粗糙，断口的大部分为扩展区，有典型的“海滩状”疲劳条带形貌，疲劳条带间距较为细小，说明叶片承载应力较小，具有高周低应力疲劳扩展特性。断口微区形貌显示，初始断裂区具有典型的“冰糖状”晶间开裂形貌，断口边缘的腐蚀坑内部可观察到明显“泥坑状”形貌，且在腐蚀坑内部捕捉到大量对马氏体不锈钢敏感的腐蚀性Cl-离子存在，具有典型的应力腐蚀特征。
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（2）从显微组织检测，低压转子次末级叶片的组织为等轴状均匀分布的、细小的回火马氏体，组织中存在大量的腐蚀坑，并有自腐蚀坑衍生出的裂纹缺陷。
（3）从化学成分分析，叶片材料的化学成分符合标准要求。
（4）从力学性能检验，叶片的硬度符合标准要求，冲击吸收能量也具有较大的裕量。
（5）从受力角度分析，低压转子次末级叶片由于叶型较长，在高速旋转过程中受力复杂，除承受高速旋转产生的离心力造成的较大的拉应力静载荷外，还会由于气流不均匀等使叶片产生强迫振动造成的交变应力。大的拉应力与腐蚀性Cl-的共同作用会在叶片表面形成应力腐蚀开裂，而强迫振动甚至叶片共振产生的大的交变载荷应力会迫使应力腐蚀裂纹以疲劳开裂的方式进一步扩展，最终导致叶片开裂。
通过试验及分析，判断该机组汽轮机次末级叶片开裂的主要原因为是机组蒸气介质中含有对马氏体不锈钢腐蚀敏感的Cl-，腐蚀性Cl-长期在叶片上累积并与叶片运行过程中的静载荷及动载荷形成了拉应力共同作用，在Cl-腐蚀区域萌生应力腐蚀微裂纹。在转子高速转动过程中产生的叶片长期循环激振应力作用下，应力腐蚀裂纹源以疲劳方式扩展，最终导致叶片形成严重开裂。
鉴于该机组汽轮机次末级叶片多处开裂，给机组安全稳定运行造成极大威胁，首先，建议对开裂叶片全部进行更换。此外，应排查其他叶片是否存在类似开裂现象，发现问题及时处理；其次，应加强机组汽水品质的监督，避免汽水介质中携带有腐蚀性Cl-，在叶片表面薄弱部位浓缩聚集形成点状腐蚀坑；再者，在检修时应重点检查是否存在个别喷嘴存在残缺、加工安装偏差大、节距不一、隔板结构和安装不良及转子动平衡不均匀等增大叶片激振应力的情况，以避免再次出现类似开裂事故。
参考文献：
[1]吴宇坤，周敬恩.汽轮机叶片常见失效方式及研究现状[J].汽轮机技术，1995，37（6）：362-365.
[2]陈运远，林振坤.汽轮机叶片材料2Cr13的腐蚀疲劳[J].机械工程材料，1981，5（1）：36-41.
[3]黎华，卢钟铭，刘课秀，等.火电厂汽轮机叶片开裂原因分析[J].理化检验-物理分册，2017，53（3）：197-200.
[4]岳苗，李锁才，等.某2Cr13不锈钢叶片裂纹原因分析[J].装备制造，2013，13（3）：30-31.
[5]全国钢标准化技术委员会.汽轮机叶片用钢：GB/T 8732-2014[S].北京：中国标准出版社，2015.
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