Structural-fractographic indicators of operational damage in steam turbine rotor disc steel

Abstract

Проаналізовано технічний стан металу диска ротора парової турбіни та встановлено причини його руйнування. Показано, що незважаючи на відповідність механічних властивостей сталі 30ХН3М1ФА за розтягу та удару регламентним вимогам в одному зі ступенів ротора виникли пошкодження, що спричинили вимушену зупинку ротора. Металографічними дослідженнями структури сталі виявили надмірну кількість неметалевих включень, висока корозійна активність яких сприяла розчиненню матриці в їх околі. Ці точкові дефекти ставали осередками зародження втомлених тріщин. Високі контактні напруження між поверхнями заклепок і отворів у диску й постійно наростання їх переміщення одне щодо одного через порушення зазорів між ними в процесі тривалої експлуатації, сприяли контактній втомі та зародженню мережі мікротріщин в околі отворів. А стрічкове розташування структурно зумовлених корозійних дефектів сприяло формуванню суцільного фронту втомної тріщини внаслідок їх злиття. Поширення тріщини завершилося руйнуванням перетинок між отворами для заклепок у гребені диска ротора. Отже, сукупний вплив корозійно-активних включень і зростаючих переміщень у зоні контакту елементів сприяли формуванню зон локального зародження тріщин та інтенсифікували ріст магістральної втомної тріщини. Її поширення супроводжувалося утворенням на зламі диска паралельних втомних борозенок. Крім того, фронт поширення тріщини на локальних етапах її зростання супроводжувався наявністю декору з виразок на експлуатаційному зламі. Це підтверджувало, що існуючі у структурі сталі неметалеві включення полегшували ріст тріщини на етапах і зародження, і поширення завдяки обʼєднанню фронту тріщини з цими дефектами.

The technical condition of the metal in a steam turbine rotor disk was analysed, and the causes of its failure were determined. It was shown that, despite the mechanical properties of 30KhN3M1FA steel meeting regulatory requirements under tension and impact, damage occurred in one of the rotor stages, leading to a forced shutdown of the rotor. Metallographic studies of the steel structure revealed an excessive amount of non-metallic inclusions, the high corrosive activity of which facilitated the dissolution of the matrix in their vicinity. These point defects became the sites of fatigue crack initiation. High contact stresses between the surfaces of rivets and holes in the rotor disk, and the constant increase in their relative displacement due to clearance violations during long-term operation, contributed to contact fatigue and the initiation of a network of microcracks in the vicinity of the holes. The string-like arrangement of structurally determined corrosion defects facilitated their coalescence, forming a continuous fatigue crack front. Its propagation culminated in the destruction of the bridges between the rivet holes in the rotor disc flange. Consequently, the combined effects of both corrosive inclusions and the increasing displacements in the contact zone of the elements contributed to the formation of localized crack initiation zones and intensified the growth of the main fatigue crack. Its propagation was accompanied by the formation of parallel fatigue striations at the disc fracture surface. Furthermore, the crack propagation front during localized stages of its growth was accompanied by the appearance of decorative pits on the operational fracture surface. This confirmed that non-metallic inclusions present in the steel structure facilitated crack growth not only at the initiation stage but also during the propagation stage due to the coalescence of the crack front with these defects.