Establishing the causes of premature damage of steam turbine rotor blades of TPP

Abstract

Проаналізовано структурно-механічний стан металу лопатки парової турбіни та встановлено найімовірніші причини її руйнування. Показано, що за механічними властивостями при випробуваннях розтягом і на удар сталь 15Х11МФ задовольняє вимоги регламентованих документів. Невідповідність цим вимогам виявили лише за відносним видовженням сталі, що вважали ознакою її низького запасу пластичності. Показано, що відносне видовження δ металу лопатки змінювалось від 7.4 до 11,5%, і було нижчим за регламентований рівень. Низькі значення δ та отримані значення співвідношень між границями плинності та міцності σYS / σUTS, які змінювались у межах від 0,8 до 0,89, свідчить про низький запас пластичності металу лопатки, що сприяло його розтріскуванню під дією робочих навантажень. Встановили, що середні значення твердості сталі 15Х11МФ на поверхнях пера лопатки становили 264 та 260 НВ, а на поверхні хвостовика – 260 НВ. На основі цих замірів констатували, що твердість сталі 15Х11МФ по довжині лопатки змінювалася неістотно, що свідчить про рівномірність прогартовування й відпуску лопатки під час її термічного оброблення. Металографічним аналізом встановили, що сталь 15Х11МФ пера лопатки має структуру сорбіт-подібного перліту, який спадкував морфологію пакетів з паралельних кристалів мартенситу, що властиво такого типу гартованим сталям після високого відпуску. Відзначили достатньо рівномірний розподіл за розмірами кристалів у лопатці, що, очевидно, зумовлено рівномірним розподілом колишніх зерен аустеніту за розмірами, в межах яких формувалися кристали мартенситу (середній розмір зерна становив 52 мкм). Відзначили макронеоднорідність структури поверхнево-зміцненого шару на вхідній крайці лопатки, отриманого методом ЕІЛ, пористість та нерівномірність розподілу карбідів тугоплавких елементів у поперечному перерізі. В околі основного металу лопатки тугоплавкі карбіди вольфраму або інтерметаліди (типу Fe7W6) розташовувалися у вигляді оторочки вздовж меж стовпчастих високолегованих хромом феритних зерен. Виявлено пори в поверхнево-зміцненому шарі лопатки, які спричинили низьку адгезію шару з основним металом лопатки, а також стали осередками зародження тріщин. Висока концентрація напружень (пори і мікротріщини в поверхнево-зміцненому шарі лопатки) та контакт металу лопатки з робочим середовищем, сприяли корозійно-втомному докритичному росту тріщини у поперечному перерізі її пера аж до наскрізного руйнування.

The technical condition of the metal of the steam turbine blade was analyzed and the reasons for its fracture were established. It was shown that the relative elongation δ of the blade metal varied from 7.4 to 11.5%, and was lower than the regulated level. The low values of δ and the obtained values of the ratio between yield strength and ultimate tensile strength σYS / σUTS, which varied from 0.8 to 0.89, indicate a low margin of plasticity of the blade metal, which contributed to its cracking under the action of working loads. Metallographic analysis revealed pores in the surface-hardened layer of the blade. They caused low adhesion of the layer with the base metal of the blade, and also of crack initiation. The high stress concentration and the contact of the blade metal with the working medium contributed to the growth of a subcritical corrosion-fatigue crack in the cross-section up to its complete destruction.