汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片斷裂分析

斯寶祥，陳石凌，王崇順

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

某電廠1臺(tái)135 MW機(jī)組在運(yùn)行中突然發(fā)生汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片斷裂事故，被迫緊急停機(jī)檢修。該機(jī)組系上海汽輪機(jī)廠制造的超高壓中間再熱冷凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)型號(hào)為N125-132.24/535/535－A型，主蒸汽參數(shù) 13.24 MPa，535℃，1984年投產(chǎn)運(yùn)行。機(jī)組在2000年第6次A級(jí)檢修時(shí)，對(duì)低壓通流部分進(jìn)行了改造，改造后機(jī)組額定功率達(dá)到135 MW，最大出力達(dá)到137 MW。

事故發(fā)生前機(jī)組累計(jì)運(yùn)行159 738 h，啟停245次。其中，通流部分改造后的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為42 388 h，啟停43次。

1 事故經(jīng)過

葉片斷裂前機(jī)組負(fù)荷129.5 MW、主汽流量418 t/h、主汽溫度537℃、壓力13.7 MPa，真空、差脹和軸振等參數(shù)均正常。某日14∶47，汽機(jī)本體突發(fā)異響，同時(shí)2，3，5，6號(hào)軸承振動(dòng)增大至I值報(bào)警，經(jīng)迅速降溫降壓、減負(fù)荷調(diào)整等措施無效后，決定故障停機(jī)，于15∶22手動(dòng)拍車，與系統(tǒng)解列。

停機(jī)后揭開低壓缸檢查，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)（第31級(jí)）編號(hào)為54的葉片在拉金上方斷裂，前后相鄰的第53，55葉片受到機(jī)械損傷而變形。靠近圍帶前部約200 mm處的一段葉片飛脫落入低壓缸下部，汽缸的去濕槽及汽封條部分損壞。

事故發(fā)生后，聯(lián)系生產(chǎn)廠家到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理葉片斷裂事故。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，更換第53，54，55葉片和第31級(jí)葉片拉金全部，所有末級(jí)葉片經(jīng)探傷檢查后，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行。

2 斷裂葉片試驗(yàn)分析

對(duì)葉片的設(shè)計(jì)與運(yùn)行條件、斷裂特征、斷口金屬等進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)分析，初步查明了斷裂原因。

表1 葉片材料的化學(xué)成分%

2.1 斷裂葉片的宏觀描述

通流部分改造后的末級(jí)動(dòng)葉長(zhǎng)度為710 mm，葉頂采用自帶冠（圍帶）和拉金結(jié)構(gòu)。葉片斷裂部位在距葉根高度約508～512 mm處。

從葉片斷口低倍觀察，發(fā)現(xiàn)在葉片進(jìn)汽端有一亮點(diǎn)，出汽邊方向約1/2斷面處目測(cè)有貝殼紋。出汽邊部位呈拉斷狀，斷口稍有收縮，總體較平直。斷裂葉片沒有反扭現(xiàn)象或明顯變形，拉金和拉金孔沒有明顯損壞。

2.2 葉片斷裂前主要運(yùn)行參數(shù)

分析運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，葉片斷裂前，機(jī)組在額定負(fù)荷附近連續(xù)運(yùn)行，由于真空偏低，主蒸汽流量偏大。轉(zhuǎn)速、加熱器水位、蒸汽參數(shù)基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生負(fù)荷、真空、加熱器水位等大幅度異常波動(dòng)，也沒有相應(yīng)的人工操作。根據(jù)振動(dòng)突變判別，葉片斷裂發(fā)生在14∶47，此后熱力參數(shù)隨減負(fù)荷操作正常變化。因此，結(jié)合葉片斷裂特征和運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)，基本可以排除突然發(fā)生水擊造成葉片斷裂的可能。

2.3 葉片斷口的金屬分析

2.3.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料，得到該葉片材料1Cr12Ni2Mo1VN-5（相當(dāng)于法國(guó)牌號(hào)C06L-J）的成分及主要力學(xué)性能特性，見表1和表2。

表2 C06L-J材料的主要力學(xué)性能

由表1可知，葉片材料屬于馬氏體類型不銹鋼，成分中除了V元素的含量偏差較大以外，其余與1Cr12Ni2Mo1VN成分相符。

2.3.2 斷口分析

為便于區(qū)分，將斷口分為A，B，C 3個(gè)區(qū)域，如圖1所示，A區(qū)斷口平整，呈細(xì)瓷狀，顯示一定的脆性斷口特征。B區(qū)有一明顯的臺(tái)階。C區(qū)斷口表面相對(duì)粗糙，顯示一定的韌性斷口特征。

圖1 葉片斷口橫截面

檢查中發(fā)現(xiàn)在A區(qū)進(jìn)汽端邊緣（圖1中黑色圈區(qū)）有貝殼紋狀，因此對(duì)該處做重點(diǎn)檢查，A區(qū)黑色圈處的放大和宏觀照片如圖2所示。

圖2 A區(qū)黑色圈處放大宏觀

從圖2中明顯可以看出，葉片進(jìn)汽偏內(nèi)弧側(cè)有明顯的月牙形疤痕，疤痕處顏色較深，沿疤痕有清晰的向內(nèi)擴(kuò)展的放射狀輝紋，并有與疤痕形貌一致的圓弧推進(jìn)線，由此可以初步判定，此處即為裂紋發(fā)生的源點(diǎn)。

A區(qū)顯示脆性特征的斷面與葉片立軸方向基本垂直，說明葉片主要受振動(dòng)應(yīng)力、彎應(yīng)力、拉應(yīng)力（離心力）作用。而C區(qū)斷面則與立軸方向呈45°角，此處除受拉應(yīng)力作用外，還受到剪切力的作用，這是由于裂紋沿疤痕向內(nèi)擴(kuò)展到臺(tái)階處，導(dǎo)致葉片受力不平衡，而此時(shí)因葉片有效截面積大大減小，使葉片絕對(duì)強(qiáng)度降低而瞬時(shí)斷裂。

2.3.3 硬度測(cè)試

硬度與脆性有密切關(guān)系。為了解葉片表面硬化處理情況，在A區(qū)斷口下方10 mm處切取試樣，分別對(duì)葉片斷面、內(nèi)外表面多個(gè)部位進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果及變化曲線如圖3所示。

圖3 A區(qū)斷口下移10 mm處截面硬度梯度

葉片心部硬度約為388 HV0.1，背弧表面最高硬度達(dá)500 HV0.1；測(cè)至心部硬化層深度為1.9 mm，內(nèi)弧表面硬度與心部無明顯差異。

2.3.4 斷口掃描電鏡觀察

圖4顯示疤痕處掃描電鏡斷口形貌，主要為結(jié)晶狀斷口，此處裂紋沿晶界方向擴(kuò)展，并有較多球狀氧化物出現(xiàn)。

圖4 疤痕處斷口形貌

圖5顯示平斷口呈放射狀輝紋，并多處顯示疲勞輝紋，說明裂紋在擴(kuò)展過程中具有疲勞擴(kuò)展的特性。

圖6為斜斷口處形貌，顯示呈帶狀分布的韌帶及韌窩，與宏觀分析中最后瞬時(shí)斷裂區(qū)韌性斷口特征一致。

2.3.5 金相顯微分析

圖7是斷裂葉片的金相顯微組織，圖中顯示葉片心部組織為保留馬氏體位向的回火索氏體，基本屬于經(jīng)正常淬火加回火的組織，但其組織相對(duì)較粗大，可能對(duì)力學(xué)性能會(huì)有一定的影響。

圖5 平斷口放射狀輝紋處形貌

圖6 斜斷口處形貌

圖7 葉片垂直主軸截面心部組織 200×

圖8為葉片疤痕處截面，左側(cè)表面有部分晶粒沿晶脫離；右側(cè)為其外側(cè)粘附的小塊金屬。離疤痕較近截面顯微硬度為461 HV0.1，而粘附金屬顯微硬度為293 HV0.1，兩者硬度差異較大。

圖8 葉片疤痕處截面組織 200×

圖9為粘附金屬塊金相組織，呈鑄態(tài)組織特征。能譜分析結(jié)果表明，粘附金屬塊中主要元素成分為Fe、Cr、Mn等，其中Cr元素含量明顯高于葉片基體材料。因此初步判定，葉片進(jìn)汽端疤痕處的粘附金屬塊屬于外來高溫熔化粘附的異體金屬。

圖9 粘附金屬塊金相組織 500×

3 金屬試驗(yàn)結(jié)果

通過金屬試驗(yàn)后得出以下試驗(yàn)結(jié)果：

（1）葉片材料化學(xué)成分和力學(xué)性能基本符合1Cr12Ni2Mo1VN鋼。

（2）材料中未見異常非金屬夾雜物，但金相組織較粗大，長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行對(duì)葉片的力學(xué)性能可能會(huì)產(chǎn)生一定影響。

（3）葉片進(jìn)汽端存在明顯疤痕，葉片斷裂與疤痕有關(guān)，裂紋開始于疤痕處。

（4）裂紋擴(kuò)展具有疲勞裂紋擴(kuò)展特征。

（5）疤痕處粘附的小塊金屬呈現(xiàn)鑄態(tài)特征，其硬度、金相組織及能譜分析結(jié)果與葉片基體材質(zhì)不一致，確定為外來異種金屬高溫熔化粘附。

4 葉片斷裂的原因分析

通過金屬試驗(yàn)分析，結(jié)合運(yùn)行參數(shù)及故障特征，分析得出以下結(jié)論：

（1）排除葉片受水擊斷裂損壞的可能性。因?yàn)樗畵敉l(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，而此次葉片斷裂則是在正常運(yùn)行的工況下發(fā)生的。

（2）在該葉片進(jìn)汽側(cè)高度約508 mm處，發(fā)現(xiàn)小塊粘附金屬，從斷口的形貌及裂紋擴(kuò)展特征判斷，該處應(yīng)是裂紋發(fā)生的源點(diǎn)。

（3）小塊粘附金屬的硬度、金相組織及能譜分析數(shù)據(jù)與葉片基體材質(zhì)差異較大，因此確認(rèn)為外來異體金屬。從圖2可見，在粘附金屬附近有明顯的月牙形痕跡，這是與高溫?zé)嵩唇佑|所致。而粘附金屬呈鑄態(tài)金相組織，因此判斷可能是葉片制造過程中與某種高溫?zé)嵩唇佑|，局部區(qū)域溫度急劇升高導(dǎo)致外來金屬熔化并粘附。在第54片斷裂葉片處，正好是兩處拉金的焊接點(diǎn)，焊接時(shí)稍不注意就會(huì)碰上葉片，這與粘附金屬的鑄態(tài)組織特征及與疤痕形貌一致的圓弧推進(jìn)線相符。

（4）由于外來金屬塊在高溫條件下與葉片粘附，使葉片在該位置的金相組織發(fā)生變化，降低了材料強(qiáng)度和抗振能力，成為疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的源點(diǎn)。從圖8中還可以看出有部分金屬組織過燒沿晶脫離，為裂紋的形成創(chuàng)造了條件。

（5）葉片受蒸汽作用力沖擊發(fā)生振動(dòng)，以裂紋源為起點(diǎn)逐漸擴(kuò)展，由于圍帶與拉金的減振作用，疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展比較緩慢，故疲勞端口平整、呈細(xì)瓷狀，裂紋擴(kuò)展過程呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展的特征。

（6）當(dāng)疲勞裂紋緩慢擴(kuò)展到一定程度以后，使裂紋部位承載能力大大降低，最終在綜合應(yīng)力的聯(lián)合作用下，葉片迅速撕裂，以致斷口表面相對(duì)粗糙，并顯示一定的韌性斷口特征。

[1] 浙江大學(xué)金屬材料檢測(cè)中心.汽輪機(jī)葉片斷裂分析檢驗(yàn)報(bào)告[R].2005.