电站增压风机叶片断裂失效分析

摘要：现如今，社会经济不断进步，我国各行各业的科学技术也在不停的进步当中，本文主要叙述电站增压风机叶片断裂失效分析。

关键词：试验；讨论；分析；

前言

某电厂型号为RAF28-15-1的增压风机1只叶片断裂，经更换新叶片，在运行不足一星期后再次断裂。叶片材料为15MnV，叶片与叶柄依靠螺栓连接，介质为烟气，进口处介质温度为126℃，进口处介质密度为0.9038kg/m3，风机转速为985r/min。

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一、试验结果

1.1断口宏观检查

新、旧叶片均断裂于叶片根部向上约150mm处，断口形貌类似，均为厚壁侧平坦断口加薄壁侧较粗糙的撕裂断口，平坦区域和撕裂区域约各占一半。对新断口在平坦区域仔细观察可见明显的疲劳纹路及疲劳源（图1），裂源表面镀层厚度为1.1～1.2mm，裂源处镀层发现微小裂纹且延伸进入基体；在疲劳源处叶片镀层表面还发现较多密集的颗粒状附着物。

图1：断口裂源处形貌

1.2 新叶片断口扫描电镜分析

从裂源处取样清洗后扫描电镜检查，裂源处叶片外表面有两层覆盖，第一层（内层）和叶片基体结合较好，断裂由第一层表面向内扩展，能谱成分分析结果除氧外主要是Cr、Ni、Al、Si、Fe、Co和Mn。而外层呈层状，且较疏松，能谱成分分析结果有较高的O、Al、Si，还有较多的S、K、Ca等元素。在表面金属喷镀层（内层）内有较多的夹杂，经能谱成分测定为Cr、Fe、Ni、Si的氧化物。断裂扩展区有较密集的疲劳条带（图2）。对裂源的外表面堆积物能谱测定，结果和断裂面边缘能谱成分基本相同，除主要成分为O、Al、Si外，还有较多的S、Cl、K和Ca等元素。

图2:扩展区的疲劳条带

1.3 元素成分分析

用化学方法对新、旧叶片的各元素含量进行精确分析，结果表明，旧叶片符合GB713-86中对15MnVg的元素含量规定的范围，但新叶片与15MnVg不符，没有V元素，Si含量也明显偏低，与GB713-86中16Mng的元素含量范围基本相符。需要指出的是，GB713-86标准早已作废，这两种牌号也已不存在，GB713-2008《锅炉压力容器用钢板》中，新叶片的元素含量与Q345相符。

1.4 力学性能试验

在新、旧叶片上各取1只拉伸试样、3只冲击试样及1只硬度试样，进行各项力学性能试验，试验结果表明，试样冲击韧性良好，硬度正常。旧叶片强度符合15MnV的规定，但新叶片强度偏低，达不到15MnV的要求，处于16Mn及Q345钢的强度下限值。

1.5 金相分析

在新、旧叶片断口附近制取金相试样，观察基体显微组织及基体与镀层的结合情况。旧叶片断口附近表面未见镀层，表面处凹凸不平呈冲蚀迹象，基体组织为铁素体+条带状分布的珠光体，晶粒度8级左右。新叶片基体显微组织与旧叶片类似。新叶片基体与镀层结合处腐蚀后见图3，发现镀层与基体结合处局部有空隙，镀层内有大量氧化物和空洞。镀层显微硬度为677～735HV0.2。

图3：新叶片基体与镀层结合处腐蚀后形貌

二、讨论分析

2.1 元素成分的影响

旧叶片材质与15MnV相符，新叶片与15MnV不符，可能为Q345。新叶片中无V， Si含量略低。由于V可细化组织和晶粒，提高强度和韧性，Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体中，因而可提高钢的强度和硬度。所以新叶片强度比旧叶片有明显的降低，但仍在Q345技术要求范围内。新旧叶片的显微组织和晶粒度相差无几，晶粒都比较细，因此新叶片的断裂不是因钢中Si、V含量低所致，但对抗疲劳性能和使用寿命有一定的影响。

2.2 断裂性质及喷涂层对断裂的影响

新叶片断口上的平坦区域发现典型的疲劳扩展形貌，疲劳源（即裂纹源）位置发现镀层裂纹延伸进入基体，因此镀层开裂引发基体裂纹是形成疲劳源的主要因素，另外镀层与基体结合处发现局部空隙、镀层空洞及镀层剥落，说明喷涂质

量欠佳。镀层开裂是喷涂作业中的常见缺陷（热喷涂冷却过程中其收缩应力较大），喷涂时有时还伴有叶片的变形，这时还必须对其反变形，在反复变形过程中镀层也较易开裂，镀层内的开裂和裂纹不会影响基体的抗裂性能，但镀层裂纹一旦扩展延伸进入基体，则会威胁到叶片的安全使用，如果叶片受到较大的外载及交变的弯曲应力，裂纹即会扩展。

另外，镀层内有较多的氧化夹杂物，严重地影响镀层的强度和抗磨、抗蚀性能，尤其是当镀层和叶片基体间的结合处有较大空隙和粗大的氧化夹杂时，影响镀层的结合力。虽不是引起此叶片断裂的主要因素，但在长期的使用过程中，易使镀层损坏和剥落，所以必须引起重视。

2.3 受力的影响

由于材料的冲击韧性无异常，正常运行时，即使叶片基体有微小的裂纹，也不可能在短时间内发生断裂，因此运行时的受力异常可能才是导致叶片断裂的主要原因。对于动叶可调式轴流风机，由于叶柄调节杆和滑块故障，导致动叶片开度不同步，可能会引起某一叶片角度异常，从而受到较大的附加应力或产生异常的振动，为裂纹的疲劳扩展提供条件。新叶片表面除有均匀的薄层附着物和少量剥落外，在裂源区域有较厚而不规则的Al、Si氧化物和S、Cl、K、Ca等堆积状附着物，说明该处气流流动异常，导致烟气中的固体颗粒在该处沉积，也间接证明该叶片角度可能有问题。

结论

总之，旧叶片材料符合15MnV钢的要求。新叶片材料可能为Q345钢，无合金元素V，含Si量低于技术要求，强度相对15MnV钢要低。新叶片的早期断裂，可能主要与叶片几何形状或安装、调整不当，导致叶片受到不正常状态下的气流作用所致，镀层开裂并使得基体萌生微裂纹，在异常的振动及弯曲载荷作用下，裂纹疲劳扩展至一定程度后，承载面积不足而最终快速撕裂。