燃气轮机涡轮动叶片腐蚀疲劳失效分析
涡轮叶片是燃气轮机机组中极其关键和重要的部件，其工作在高温、高压和高负荷的环境中。叶片性能的劣化或失效会对燃气轮机机组的完整性和可靠性产生重大影响。涡轮叶片失效的原因主要为热机疲劳、腐蚀疲劳、高周疲劳、蠕变疲劳、超温，或者是以上失效模式的组合。同时，由于工作温度、转速、工作模式、总服役时间和制造工艺等差异，不同叶片的劣化或失效程度相差甚大。
当前，各种先进的技术手段被用来研究涡轮叶片失效原因：电火花直读光谱可以用来测量叶片的化学成分；X射线衍射技术有助于确定叶片材料的冶金；扫描电子显微镜可用于研究叶片断口形貌、裂纹及其扩展。同时，各种数值模拟技术也应运而生，计算流体力学被广泛使用于计算叶片温度场和气动场，来判断叶片失效的位置。有限元分析被用来计算叶片应力场、变形和伸长量。
本文研究对象为一燃气轮机机组第1级涡轮动叶片。该机组功率为30MW，燃料为重油，涡轮进口温度约为1050℃，机组等效运行小时数已超5000h，运行模式为3天一次启停。在某次大修检查时发现，其第1级涡轮动叶片在服役时间远低于许用寿命的情况下，叶片表面出现了涂层剥落现象。为避免后续出现类似的情况，本文针对失效叶片使用多种技术手段进行理化分析，同时采用数值模拟方法再现叶片工作时的温度场和应力场，从而分析此次叶片失效的原因。
一、试验分析
涡轮第1级动叶片为铸造等轴晶，材质为IN738合金，叶片外表面涂敷热障涂层，叶片内部有复杂的冷却结构。本文挑选其中2个出现涂层剥落的涡轮叶片进行外观检查、化学成分分析及显微组织分析等理化检查。
1.1 外观检查
首先采用丙酮清洗油污，再用酒精清洗。同时为了进行更详细的外观检查，对叶片表面进行喷砂清洗，砂砾直径为20~50μm。
叶片外观检查结果如图1所示。由图1可见：涡轮叶片外表面大多陶瓷层已剥落，仅部分残留于叶身靠近进气侧的压力面处和吸力面中部，进气边靠近压力面侧的大多金属粘结层也已消耗（图1a）；同时叶片表面明显变色，这可能与机组运行时留下的沉积物和腐蚀产物有关；叶片表面压力面及尾缘转接R处存在多条裂纹（图1b）。
图1. 叶片外观检查结果
1.2 化学成分分析
研磨至叶片表面4mm深度处，并采用电火花直读光谱仪测量叶片材料的化学成分，合金成分见表1。检测结果表明叶片材料与IN738成分符合。
从叶身表面4个区域进行取样，采用电子显微镜对4个样品进行能谱分析。4个区域分别位于叶身吸力面底部与平台转接处、叶身压力面底部靠近尾缘处、叶身压力面中部靠近前缘处、叶身压力面底部靠近前缘处，如图2所示。
图2. 能谱分析采样位置
能谱分析结果如图3所示。
图3. 不同区域的能谱分析结果
由图3可见：
1）区域1中Zr的含量很高，同时存在一定含量的Y；
2）区域2中Zr的含量很高，同时存在一定含量Mg、Al、Si、S、V、Fe；
3）区域3中Zr的含量很高，同时存在一定含量的Mg、Al、Si、S、V；
4）区域4中存在一定含量的Mg、Al、Zr、S、Ti、V。
结合叶片材料的化学成分，以及陶瓷层和粘结层、重油的化学成分，可以得到以下结论：
1）区域1、2、3中存在表面陶瓷层，其主要成分是Zr；
2）区域2、3、4存在金属粘结层，其主要成分是Al；
3）区域2、3、4中存在重油燃烧产物，重油中含有V、S，燃烧后形成化合物附着在叶片表面；
4）重油中添加了Mg，主要是用来抑制V、S元素对涂层和基体材料的腐蚀作用。
1.3 显微组织分析
将涡轮叶片的前缘和尾缘切片制样，利用扫描电镜观察叶片表面涂层的显微组织，涂层显微组织如图4所示。
图4. 涂层显微组织
由图4可见：叶片表面已无剩余的陶瓷层，但金属粘结层保存较完整。经测量，金属粘结层厚度约为159.73μm，扩散层厚度约为10~15μm，均符合热障涂层要求（图4c）；（图4d）为（图4c）的局部放大，结果显示金属粘结层表面已出现腐蚀（区域A），这说明金属粘结层表面的致密氧化层α-Al2O3、已损耗；同时，由于Al元素的大量损耗，金属粘结层中残存的β-NiAl相将转变为γ'相（Ni3Al），从而进一步降低金属粘结层的抗氧化腐蚀性能（图4d区域B）。
同时，利用扫描电镜观察了叶片前缘区域的金属基体显微组织，如图5所示。
图5. 基体显微组织
由图5可见：其中分布有大量的γ'析出相，结果表明该叶片的金属基体显微组织与完成热处理的IN738铸造镍基合金完全一致；同时可见γ'析出相呈双尺度分布，即大尺寸立方形一次析出相和细小球形二次析出相，没有出现γ'析出相明显长大或变圆等情况，这表明该叶片的金属基体并未出现老化现象。
二、温度场分析
2.1 温度场计算
对叶片外部流场进行模拟计算。计算时截取一个叶片流道进行稳态分析，并考虑叶顶间隙，将叶片表面设置为绝热无滑移旋转壁面，将燃气流道shroud面设置为静止壁面，燃气进口给定绝对总压、绝对总温和气流角度的径向分布函数，燃气出口给定静压的径向分布函数。CFX软件求解时，选择剪应力传递两方程湍流模型，并勾选湍流转捩模拟，并考虑黏性做功项对流场的影响。选择高精度求解方式模拟对流项及边界层湍流。
获得流场计算结果后，即可进行分析、提取叶片外表面的换热系数。参考经典平板外流边界层层流和湍流的流动和换热理论，计算可得叶片的外表面换热系数，中间截面的叶型外换热系数随着绝对弧长的变化如图6所示。本文计算了叶片4个截面的外换热系数，即10%、50%、75%和95%截面。
图6. 50%叶高截面外换热系数分布
针对该叶片进行了网格划分，对叶片内部冷却结构细小特征进行了加密，局部最小网格尺寸为0.02mm，最后生成的网格总数1400万，节点数280万。叶片内部冷却通道的换热系数使用相关公式，并参考相关文献计算得到。
2.2 结果分析
将获得的叶片内外表面的换热系数加载到相应表面，并使用CFX求解叶片导热问题，即可得到叶片的三维温度场，如图7所示。
图7. 叶片温度场分布
由图7可见：叶身压力面的温度分布呈现沿着轴向分区，叶身温度最高点位于前缘（图7a）中的区域1，最高达到858.4℃，这是因为外换热系数较强导致；叶片压力面前2/3弧长段的温度较低（图7a）中的区域2，这是因为外侧的换热系数较小；压力面后1/3，往叶片尾缘方向燃气换热系数逐渐升高，而内部冷气的换热系数几乎不变，导致金属温度逐渐升高（图7a）中的区域3。
叶身吸力面转捩区的高换热系数导致了较高的叶片温度（图7b）中的区域5，但吸力面转捩区靠近叶顶的温度较低（图7b）中的区域8，这主要和叶片内部离散的冷却通道在此处更加靠近吸力面侧，且其冷气流量较大有关。转捩区下游换热系数较低，因此导致了较低的叶片温度（图7b）中的区域6。叶片尾缘较高的换热系数、小的尾缘半径和几乎无冷却的结构特点，导致了较高的叶片尾缘区域温度（图7b）中的区域7。吸力面出现了明显的温度三角区（图7b）中的区域9，这是因为气动计算、75%和95%截面的换热计算显示，流体在该处形成了较强的叶顶泄漏涡流和换热。这与叶片外表面颜色分布相吻合。
三、应力场分析
3.1 应力场计算
截取其中的1个叶片/轮盘扇区模型进行非线性有限元计算。分析了叶片及轮盘在稳态工况下的应力分布，其有限元模型如图8所示。
图8. 应力计算有限元模型
叶片基体材料为IN738，涂层材料为TBC，由于粘结层也是一种金属材料，且厚度只有0.1mm，因此，计算时将粘结层和基体合并。采用Surface coating模拟表层的陶瓷层，厚度为0.3mm。计算时叶片基体采用BKIN本构模型，见表2。
边界条件如下：
1）叶片施加温度场；
2）轮盘施加温度场；
3）叶片和轮盘施加转速；
4）叶根和叶根槽之间设置接触对；
5）轮盘端面齿处施加轴向和周向位移约束，盘心施加径向位移约束。
温度和载荷循环如图9所示。
图9. 叶片及轮盘温度和载荷循环
3.2 结果分析
叶片基体整体应力分布如图10所示。由图10可见，叶身最大应力位于尾缘转接R处，应力值为690MPa，温度为775℃。最大应力位置与图1b尾缘失效位置相一致。同时该处第一主应力方向沿着叶片径向，与叶片失效处裂纹开裂方向垂直。由于机组的频繁启停，导致此处产生较大交变应力，从而由疲劳引起裂纹。叶身其余区域应力水平不高。
图10. 叶片应力分布
四、失效分析
基于理化分析和数值模拟的结果，对涡轮叶片失效机理进行分析，得出如下结论：
1）该燃气轮机机组燃料为重油，其成分中含有大量的S和V。当重油进入燃烧室后，在高温下反应生成硫酸盐。高温下熔融的硫酸盐具有流动性，能够穿过陶瓷隔热层中的空隙或裂缝，到达粘结底层的表面并发生反应，从而使涂层出现脱落，反应方程如式（1）-式（5）所示。重油中含有的V在高温下会反应生成金属钒酸盐。大量的研究结果表明，当其和硫酸盐共存时会进一步加强腐蚀效果，混合后腐蚀效率相比常态可提高10倍以上。因此，大多叶片表面的表层涂层在远低于许用寿命的情况下脱落。
2）叶片温度场计算结果表明，叶身温度分布呈现沿轴向分区的现象。区域1，外换热系数较强，故叶片温度高，加剧了硫酸盐的流动性，从而加速陶瓷层的腐蚀，这使得前缘附近的陶瓷层涂层掉落严重；区域2，较低的金属温度和较小的燃气冲刷速度，使得该区域的陶瓷层涂层得以保留；区域6，叶身吸力面离开一定宽度的转捩区下游，金属温度较低，该区域的陶瓷层涂层也得以保留。
3）叶片应力场模拟结果表明，叶片尾缘基体转接R处最大应力为690MPa，温度为775℃。由于频繁的启停，产生疲劳损伤，从而导致疲劳裂纹萌生。
五、结语
本文针对一燃机涡轮动叶片涂层剥落和尾缘转接R处疲劳裂纹现象开展了理化分析和数值模拟分析，从而获得了叶片失效机理。基于研究成果，建议后续要提高重油的品质，降低其中V和S的含量，并添加合适的防腐蚀添加剂；加强对燃烧系统和热通道的检查，定期对透平叶片进行清洗；同时要合理安排机组的启停次数。
