汽輪機零部件常見事故分析

車曉東 鄭文輝

（華能北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司海勃灣發(fā)電廠，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 汽輪機葉片事故分析

汽輪機葉片的損壞形式主要是疲勞斷裂。由于葉片工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜，斷裂事故較常發(fā)生，且后果又較嚴重，所以對葉片斷裂事故的分析研究一直受到特別重視。按照葉片斷裂的性質(zhì)，可以分為短期超載疲勞損壞、長期疲勞損壞、高溫疲勞損壞、應(yīng)力疲勞損壞、腐蝕疲勞損壞、接觸疲勞損壞等六鐘。

1.1 長期超載疲勞損壞

這種損壞是指葉片受到外加較大應(yīng)力或受到較大激振力，而振動次數(shù)低于107次就發(fā)生斷裂的機械疲勞損壞。如葉片受到水擊而承受較大的應(yīng)力，或因轉(zhuǎn)子不平引起振動及安裝不良存在周期力等較大的低頻激振力，當(dāng)這些力引起葉片共振時，葉片會很快斷裂。

葉片短期超載疲勞損壞的宏觀特征為：斷面粗糙，疲勞前沿線（即貝殼紋）不明顯，斷面上疲勞區(qū)面積小于最終靜撕斷區(qū)面積；經(jīng)受水擊而損壞的葉片的斷面呈"人"字形紋絡(luò)特征。

防止短期超載疲勞損壞的主要方法是：防止水擊，作好消除低頻共振的調(diào)頻及在正常周波下運行。

1.2 長期疲勞損壞

長期疲勞損壞是指葉片運行中承受低于疲勞強度極限而應(yīng)力循環(huán)次數(shù)又遠高于107次發(fā)生的一種機械疲勞損壞。

造成長期疲勞損壞的原因有：葉片或葉片組在高頻激振力作用下引起的共振損壞；葉片表面缺陷處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中而發(fā)生的疲勞損壞；低頻率運行、超負荷運行使某些級的葉片應(yīng)力升高導(dǎo)致提早損壞等等。長期疲勞損壞在電廠葉片斷裂事故中最為常見。

防止長期疲勞損壞的辦法是：按規(guī)定避開高頻激振力共振范圍，提高葉片加工質(zhì)量和改善運行條件。如防止低周波、超負荷運行，防止腐蝕和水擊等。

1.3 高溫疲勞損壞

高溫疲勞損壞是指由蠕變和疲勞共同作用所形成的介于靜應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變和動應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞之間的一種損壞形式。裂紋源部位呈蠕變現(xiàn)象，斷裂性質(zhì)為持久斷裂和疲勞斷裂的組合，而且往往伴隨著材料組織的變化。

高溫疲勞損壞裂紋基本上是穿晶的，斷口宏觀貌有貝殼花紋，斷口微觀貌有較厚的氧化皮。

高溫疲勞損壞發(fā)生在高壓缸前幾級葉片、中間再熱式汽輪機中壓缸前幾級葉片以及中壓汽輪機的調(diào)速級葉片。

防止高溫疲勞損壞的主要措施是：選用高溫性能好的金屬來制造處于高溫下工作的葉片，防止葉片共振，防止葉片徑向和軸向相摩擦等。

1.4 應(yīng)力腐蝕損壞

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因是：首先，金屬晶界偏析，析出碳化物，出現(xiàn)貧鉻區(qū)，使晶界腐蝕；其次，應(yīng)力作用；然后，高濃度鹽的腐蝕。應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在2Cr13鋼制造的末級葉片上。其斷口形貌呈顆粒狀，微觀形態(tài)是沿界裂紋，斷面上有滑移臺階，并有細小腐蝕坑。

防止葉片應(yīng)力腐蝕損壞的只要措施是：改善汽水品質(zhì)、提高葉片材質(zhì)、降低葉片動應(yīng)力等。

1.5 腐蝕疲勞損壞

腐蝕疲勞損壞是葉片在腐蝕介質(zhì)中受交變應(yīng)力作用而引起的疲勞損壞。如損壞是以機械疲勞為主，則裂紋發(fā)展迅速，裂紋為穿晶型；如損壞是以應(yīng)力腐蝕為主，則裂紋發(fā)展較慢，裂紋主要是沿晶型。

防止腐蝕疲勞損壞的主要措施是：提高葉片材質(zhì)耐腐蝕性；降低交變應(yīng)力水平；改善汽水品質(zhì)。

1.6 接觸疲勞損壞

接觸疲勞損壞是由于葉片根部松動，葉根參加振動，使葉根之間或葉片與葉輪機接觸面產(chǎn)生往復(fù)微量相對摩擦運動而造成的一種機械損壞。

由于摩擦表面材料晶體滑移和硬化，使硬化區(qū)內(nèi)產(chǎn)生許多平行的顯微裂紋，并不斷擴展，從而引起疲勞斷裂。

摩擦裂紋和摩擦硬化現(xiàn)象同時并存是接觸疲勞損壞的主要基本特征。摩擦硬化和摩擦裂紋僅存于接觸部位表面。

防止接觸疲勞的主要措施是：改善葉片接觸面的緊貼程度，增加接觸面積以防止接觸點接觸的應(yīng)力集中，消除或減弱調(diào)頻葉片的振動力。

2 汽輪機轉(zhuǎn)子金屬事故分析

轉(zhuǎn)子在運行過程中要承受扭距和自重引起的彎應(yīng)力、溫度梯度和溫度變化的熱應(yīng)力、離心力、熱套力、振動力和發(fā)電機短路力距，其工作條件十分惡劣。

汽輪機轉(zhuǎn)子的金屬事故主要是葉輪、主軸（轉(zhuǎn)子）的變形及開裂。

2.1 主軸（轉(zhuǎn)子）的塑性變形

汽輪機出廠時的殘余應(yīng)力過大，運輸、安裝不當(dāng)以及運行中暖機不充分，動靜部分相摩擦，水擊和滿水等原因，都有可能導(dǎo)致大軸產(chǎn)生永久變形，一旦出現(xiàn)這種情況決不能強行升速，而應(yīng)停機后直軸。

直軸方法：對小型碳鋼轉(zhuǎn)子可采用局部加熱反變形校直；對大功率合金鋼轉(zhuǎn)子多采用“松弛法”。

2.2 轉(zhuǎn)子的斷裂

轉(zhuǎn)子斷裂將造成嚴重事故，應(yīng)引起十分重視。斷裂的起因是出現(xiàn)裂紋。轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)第一條宏觀裂紋，在大型汽輪機中往往作為汽輪機工作壽命結(jié)束的標(biāo)志。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋的原因主要有以下幾點：

2.2.1 在熱交變應(yīng)力（低頻熱應(yīng)力）和蠕變聯(lián)合作用下出現(xiàn)裂紋；

2.2.2 截面交界處過渡圓角偏小、存在刀痕等原因會導(dǎo)致機械應(yīng)力或熱應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋；

2.2.3 材質(zhì)不良，存在嚴重冶金缺陷而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；

2.2.4 運行不當(dāng)而引起損壞。如啟、停機，變負荷等情況下，溫度變化率及溫度變化量過大，引起熱應(yīng)力過大等。

2.3 葉輪的開裂

葉輪開裂主要出現(xiàn)在低壓級。由于葉輪直徑大，離心力大，長期運行中鍵槽處由于應(yīng)力集中容易出現(xiàn)裂紋，，裂紋發(fā)展到一定深度會引起整個葉輪飛裂。葉輪開裂與下列因素有關(guān)：

2.3.1 鍵槽處加工質(zhì)量差，應(yīng)力集中處往往易生成裂紋并發(fā)展；

2.3.2 葉輪材料性能差，韌性及塑性低，脆性大，加速了裂紋擴展；

2.3.3 停機后維修保養(yǎng)不當(dāng)，或水腐蝕造成應(yīng)力腐蝕。

防止葉輪開裂的措施：注意停機后的保養(yǎng)，防止腐蝕；提高冶金及加工質(zhì)量；加強探傷檢查等。

3 汽缸的變形及裂紋

汽缸截面厚度變化大，進汽端形狀復(fù)雜，特別是法蘭處厚度非常大，因此在運行過程中汽缸內(nèi)外壁、法蘭內(nèi)外壁溫差懸殊，生成的熱應(yīng)力就非常大，加之溫度變化時又受到熱交變應(yīng)力作用，同時，汽缸內(nèi)還承受蒸汽壓力、靜止部分的重力作用，工作條件十分惡劣，并且，由于形狀復(fù)雜、厚薄相差懸殊、尺寸大等原因，不可避免存在鑄造缺陷，所以，汽缸容易發(fā)生變形和開裂的金屬事故。

3.1 造成汽缸變形的主要原因如下

3.1.1 運行中汽缸壁內(nèi)外、法蘭內(nèi)外溫差較大，造成法蘭結(jié)合面漏氣；汽缸上、下溫差過大導(dǎo)致動靜部分相摩擦或振動；

3.1.2 汽缸去應(yīng)力退火不當(dāng)，或運行中滿水、水擊等，都會引起變形；

3.1.3 汽缸在高溫下工作，各部分溫度不同，蠕變速度不一，從而引起變形。

3.2 造成汽缸開裂的主要原因如下：

3.2.1 汽缸長期在高溫下運行，出現(xiàn)蠕變，脆性增加；

3.2.2 冶金過程中鑄件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、白點、夾渣等，是造成蠕變裂紋和熱疲勞裂紋的根源；

3.2.3 熱處理不當(dāng)導(dǎo)致材料組織不均勻，而使持久強度和持久塑性下降；

3.2.4 長期高溫運行使汽缸材料組織發(fā)生變化；運行中的低頻熱應(yīng)；力和蠕變的聯(lián)合作用更易出現(xiàn)裂紋。

3.2.5 對于出現(xiàn)裂紋的汽缸可采用徹底挖除裂紋并進行補焊的方法加以消除。

[1]周順深.汽輪機零部件損壞及其壽命評定[J].發(fā)電設(shè)備，1990-04-01.