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1 概述
辽阳某热电厂5#汽轮机在2012年4月19日的停机大修期间，发现该机第14级（末3级）动叶片中的一只叶片在拉筋孔处断裂，另有3只同一类型的叶片在拉筋孔处也出现了裂纹。该叶片材质为2Cr13不锈钢，已经使用10年左右的时间；该叶片接触的介质为320℃~420℃，压力2.0MPa的过热蒸汽。
2 检验分析
2.1叶片宏观与低倍分析
取两只叶片，其中一只是在拉筋孔处断裂的叶片，编号为A；另一只是在拉筋孔处有一10mm长裂纹的叶片，编号为B，见图1。A、B两叶片都为T型叶根的等截面直叶片。
A叶片断口平整，基本垂直于叶长方向，呈铁灰色和细瓷状，有多条鲜明的“海滩状”疲劳弧线，该断口为典型的疲劳断裂；裂纹源为多个，且都在拉筋孔内壁上的点蚀坑处。
B叶片裂纹的位置在该叶片拉筋孔的背弧面上，由拉筋孔处起始向出气边扩展；将B叶片裂纹人为打开，就形成了一个“裂纹断口”；该“裂纹断口”平整，呈铁灰色和细瓷状，也有多条鲜明的“海滩状”疲劳弧线；观察这一“裂纹断口”，其裂纹起源也是在拉筋孔内和其附近的点蚀坑处。
通过对A叶片断口和B叶片“裂纹断口”的观察分析，认为A叶片的断裂和B叶片的开裂属于同一失效类型，即都是由点蚀坑处起源的疲劳断裂。
裂纹源在叶片拉筋孔内及附近的点蚀坑处。点蚀坑的存在使得拉筋孔处的应力集中更加严重，致使疲劳裂纹在该处容易萌生并扩展。
图1 A、B叶片的宏观形貌
2.2叶片材质化学分析
从A、B叶片上，取块状样品，依据CB/T16597-1996等标准，使用荧光光谱仪等，对其材质进行化学成分分析，结果如表1所示；可见，失效叶片的化学成分符合2Cr13钢的标准化学成分要求。
表1 叶片B的化学成分分析（质量分数/%）
2.3叶片金相分析
在A、B叶片拉筋孔附近取金相样品，经预磨、抛光后，用三氯化铁盐酸水溶液浸蚀。
A、B叶片的金相组织为带马氏体位向的回火索氏体。
2.4叶片断口扫描电镜分析
借助于扫描电镜，对A断口和B叶片“裂纹断口”进行形貌观察和元素成分能谱分析。
在A叶片拉筋孔右侧断口上，裂纹起源于拉筋孔内的点蚀坑处，蚀坑内有Cl元素的富集存在；该侧断口上的裂纹扩展区表面，由于被氧化腐蚀产物的沉积覆盖，断口上的疲劳弧线不甚清晰。
在A叶片拉筋孔左侧断口上，裂纹同样是起源于拉筋孔内的点蚀坑处，蚀坑内有Cl元素的富集存在；该侧断口上的裂纹扩展区表面，虽然也有氧化腐蚀产物的沉积覆盖，但仍可见叶片疲劳断裂的特征“辉纹线”。
在B叶片拉筋孔处的“裂纹断口”上，裂纹起源于拉筋孔内的点蚀坑处，蚀坑内有Cl元素的富集存在；该侧断口上的裂纹扩展区表面，由于腐蚀产物覆盖，看不到疲劳弧线和辉纹线。
A、B叶片断裂（或开裂）属于同一损坏形式，即在拉筋孔内壁局部处先形成点蚀坑，点蚀坑成为裂纹源，随着裂纹的萌生和扩展，造成叶片的疲劳断裂。
3 分析与讨论
电厂汽轮机叶片，特别是动叶片，所处的工况条件及环境极为恶劣。主要表现在应力状态、工作温度、环境介质等方面。汽轮机在工作时，动叶片承受着最大的静应力及交变应力。静应力主要是转子旋转时作用在叶片上的离心力所引起的拉应力，叶片愈长，转子的直径及转速愈大，其拉应力愈大。同时，由于蒸汽流的压力作用还产生弯曲应力和扭力。当叶片受激振力的作用会产生强迫振动，当强迫振动的频率与叶片自振频率相同时即会引起共振。随着振幅的进一步加大，交变应力急剧增加，会导致叶片发生疲劳断裂。因此，叶片通常由围带或拉筋连接成组，这样可以降低叶片的动应力，同时还可以调整叶片频率和减振。
5#汽轮机的第14级动叶片为T型叶根叶片。为增加叶片的刚性，改善叶片的振动性能，这级叶片采用拉筋连接。但使用拉筋也有不利的一面，拉筋处于汽流通道之中，增加了蒸汽流动的损失，同时，叶片上的拉筋孔还削弱了叶片的强度。可见，本机的叶片从拉筋孔处断裂（开裂）一定是有这方面因素的影响。
汽轮机的每一级叶片工作温度都不相同，第一级叶片所处的温度最高。大约535℃左右；随后由于蒸汽逐级做功，温度逐级降低、直到末级叶片将降低到100℃以下。发生断裂（开裂）的第14级动叶片（末3级）还处在温度320℃~420℃，压力2.0MPa的过热蒸汽中，通常是接触不到湿蒸汽的。但由于该级叶片运行时间较长（十年多），蒸汽中的有害元素会不断在叶片的表面沉积和浓缩，最后其含量达到其可观的程度。它们的存在可以破坏叶片表面的保护膜，当介质中氧含量较高，且诸多次停机由于保护不善时，在空气及介质中水含量充足的局部地区以及应力相对较大的区域会优先产生点蚀。叶片拉筋孔壁与拉筋表面的接触部位容易使有害元素沉积，并存在一定程度的应力集中，是点蚀的易发生区。
汽轮机叶片的点蚀是一个电化学的过程。金属与电解质相互作用，阳极发生溶解，铁原子失去电子成为Fe2+。叶片表面钝化膜的不均匀或破裂、微区化学成分的差异、残余应力较高均为产生点蚀的原因。当介质中含有活性阴离子（Cl-）时，它们被吸附在金属表面某些点上，形成微电池。膜破坏处成为阳极，而未破坏处为阴极。由于阳极面积比阴极小得多，阳极电流密度大，很快被腐蚀成小孔，溶液中的Cl-随着电流向小孔里迁移，使小孔内金属氧化物浓度升高。由于氯化物的水解，小孔内溶液的酸度增加，加上小孔内氧的供应困难，阻碍孔内金属的再钝化，使孔内金属处于活化状态，不断受到腐蚀。在交变应力的作用下，由点蚀坑处产生微裂纹，继而扩展成宏观裂纹，当裂纹扩展到一定的程度时，叶片发生最终的断裂。
5#汽轮机第14级动叶片中送检的两只断裂（开裂）叶片，其裂纹的起源均在叶片拉筋孔壁的点蚀坑处，点蚀坑内有害元素（Cl等）的富集浓缩，会加速蚀坑进一步发展，造成该处应力更加集中，材料的疲劳抗力大大降低，而产生疲劳裂纹，裂纹的发生和发展，直至造成叶片的最终断裂。
因此可见，5#汽轮机第14级动叶片断裂（开裂）是一个腐蚀疲劳断裂过程。
4 结论
（1）5#汽轮机第14级（末3级）动叶片材质为2Cr13不锈钢；金相组织为回火索氏体。
（2）5#汽轮机第14级（末3级）动叶片断裂（开裂）失效原因是叶片拉筋孔内产生了点蚀，点蚀坑处成为裂纹源，叶片自拉筋孔处发生了腐蚀疲劳断裂。
（3）蒸汽品质不良和停机过程保护不善以及拉筋孔处应力集中且强度较低，是导致叶片产生腐蚀疲劳断裂的主要原因。
辽阳某热电厂5#汽轮机在2012年4月19日的停机大修期间，发现该机第14级（末3级）动叶片中的一只叶片在拉筋孔处断裂，另有3只同一类型的叶片在拉筋孔处也出现了裂纹。该叶片材质为2Cr13不锈钢，已经使用10年左右的时间；该叶片接触的介质为320℃~420℃，压力2.0MPa的过热蒸汽。
2 检验分析
2.1叶片宏观与低倍分析
取两只叶片，其中一只是在拉筋孔处断裂的叶片，编号为A；另一只是在拉筋孔处有一10mm长裂纹的叶片，编号为B，见图1。A、B两叶片都为T型叶根的等截面直叶片。
A叶片断口平整，基本垂直于叶长方向，呈铁灰色和细瓷状，有多条鲜明的“海滩状”疲劳弧线，该断口为典型的疲劳断裂；裂纹源为多个，且都在拉筋孔内壁上的点蚀坑处。
B叶片裂纹的位置在该叶片拉筋孔的背弧面上，由拉筋孔处起始向出气边扩展；将B叶片裂纹人为打开，就形成了一个“裂纹断口”；该“裂纹断口”平整，呈铁灰色和细瓷状，也有多条鲜明的“海滩状”疲劳弧线；观察这一“裂纹断口”，其裂纹起源也是在拉筋孔内和其附近的点蚀坑处。
通过对A叶片断口和B叶片“裂纹断口”的观察分析，认为A叶片的断裂和B叶片的开裂属于同一失效类型，即都是由点蚀坑处起源的疲劳断裂。
裂纹源在叶片拉筋孔内及附近的点蚀坑处。点蚀坑的存在使得拉筋孔处的应力集中更加严重，致使疲劳裂纹在该处容易萌生并扩展。
图1 A、B叶片的宏观形貌
2.2叶片材质化学分析
从A、B叶片上，取块状样品，依据CB/T16597-1996等标准，使用荧光光谱仪等，对其材质进行化学成分分析，结果如表1所示；可见，失效叶片的化学成分符合2Cr13钢的标准化学成分要求。
表1 叶片B的化学成分分析（质量分数/%）
2.3叶片金相分析
在A、B叶片拉筋孔附近取金相样品，经预磨、抛光后，用三氯化铁盐酸水溶液浸蚀。
A、B叶片的金相组织为带马氏体位向的回火索氏体。
2.4叶片断口扫描电镜分析
借助于扫描电镜，对A断口和B叶片“裂纹断口”进行形貌观察和元素成分能谱分析。
在A叶片拉筋孔右侧断口上，裂纹起源于拉筋孔内的点蚀坑处，蚀坑内有Cl元素的富集存在；该侧断口上的裂纹扩展区表面，由于被氧化腐蚀产物的沉积覆盖，断口上的疲劳弧线不甚清晰。
在A叶片拉筋孔左侧断口上，裂纹同样是起源于拉筋孔内的点蚀坑处，蚀坑内有Cl元素的富集存在；该侧断口上的裂纹扩展区表面，虽然也有氧化腐蚀产物的沉积覆盖，但仍可见叶片疲劳断裂的特征“辉纹线”。
在B叶片拉筋孔处的“裂纹断口”上，裂纹起源于拉筋孔内的点蚀坑处，蚀坑内有Cl元素的富集存在；该侧断口上的裂纹扩展区表面，由于腐蚀产物覆盖，看不到疲劳弧线和辉纹线。
A、B叶片断裂（或开裂）属于同一损坏形式，即在拉筋孔内壁局部处先形成点蚀坑，点蚀坑成为裂纹源，随着裂纹的萌生和扩展，造成叶片的疲劳断裂。
3 分析与讨论
电厂汽轮机叶片，特别是动叶片，所处的工况条件及环境极为恶劣。主要表现在应力状态、工作温度、环境介质等方面。汽轮机在工作时，动叶片承受着最大的静应力及交变应力。静应力主要是转子旋转时作用在叶片上的离心力所引起的拉应力，叶片愈长，转子的直径及转速愈大，其拉应力愈大。同时，由于蒸汽流的压力作用还产生弯曲应力和扭力。当叶片受激振力的作用会产生强迫振动，当强迫振动的频率与叶片自振频率相同时即会引起共振。随着振幅的进一步加大，交变应力急剧增加，会导致叶片发生疲劳断裂。因此，叶片通常由围带或拉筋连接成组，这样可以降低叶片的动应力，同时还可以调整叶片频率和减振。
5#汽轮机的第14级动叶片为T型叶根叶片。为增加叶片的刚性，改善叶片的振动性能，这级叶片采用拉筋连接。但使用拉筋也有不利的一面，拉筋处于汽流通道之中，增加了蒸汽流动的损失，同时，叶片上的拉筋孔还削弱了叶片的强度。可见，本机的叶片从拉筋孔处断裂（开裂）一定是有这方面因素的影响。
汽轮机的每一级叶片工作温度都不相同，第一级叶片所处的温度最高。大约535℃左右；随后由于蒸汽逐级做功，温度逐级降低、直到末级叶片将降低到100℃以下。发生断裂（开裂）的第14级动叶片（末3级）还处在温度320℃~420℃，压力2.0MPa的过热蒸汽中，通常是接触不到湿蒸汽的。但由于该级叶片运行时间较长（十年多），蒸汽中的有害元素会不断在叶片的表面沉积和浓缩，最后其含量达到其可观的程度。它们的存在可以破坏叶片表面的保护膜，当介质中氧含量较高，且诸多次停机由于保护不善时，在空气及介质中水含量充足的局部地区以及应力相对较大的区域会优先产生点蚀。叶片拉筋孔壁与拉筋表面的接触部位容易使有害元素沉积，并存在一定程度的应力集中，是点蚀的易发生区。
汽轮机叶片的点蚀是一个电化学的过程。金属与电解质相互作用，阳极发生溶解，铁原子失去电子成为Fe2+。叶片表面钝化膜的不均匀或破裂、微区化学成分的差异、残余应力较高均为产生点蚀的原因。当介质中含有活性阴离子（Cl-）时，它们被吸附在金属表面某些点上，形成微电池。膜破坏处成为阳极，而未破坏处为阴极。由于阳极面积比阴极小得多，阳极电流密度大，很快被腐蚀成小孔，溶液中的Cl-随着电流向小孔里迁移，使小孔内金属氧化物浓度升高。由于氯化物的水解，小孔内溶液的酸度增加，加上小孔内氧的供应困难，阻碍孔内金属的再钝化，使孔内金属处于活化状态，不断受到腐蚀。在交变应力的作用下，由点蚀坑处产生微裂纹，继而扩展成宏观裂纹，当裂纹扩展到一定的程度时，叶片发生最终的断裂。
5#汽轮机第14级动叶片中送检的两只断裂（开裂）叶片，其裂纹的起源均在叶片拉筋孔壁的点蚀坑处，点蚀坑内有害元素（Cl等）的富集浓缩，会加速蚀坑进一步发展，造成该处应力更加集中，材料的疲劳抗力大大降低，而产生疲劳裂纹，裂纹的发生和发展，直至造成叶片的最终断裂。
因此可见，5#汽轮机第14级动叶片断裂（开裂）是一个腐蚀疲劳断裂过程。
4 结论
（1）5#汽轮机第14级（末3级）动叶片材质为2Cr13不锈钢；金相组织为回火索氏体。
（2）5#汽轮机第14级（末3级）动叶片断裂（开裂）失效原因是叶片拉筋孔内产生了点蚀，点蚀坑处成为裂纹源，叶片自拉筋孔处发生了腐蚀疲劳断裂。
（3）蒸汽品质不良和停机过程保护不善以及拉筋孔处应力集中且强度较低，是导致叶片产生腐蚀疲劳断裂的主要原因。