某汽輪發(fā)電機組復速級第二級動葉片斷裂故障分析

石泉江

(中國人民解放軍92730部隊，湖南三亞 572016）

某汽輪發(fā)電機組復速級第二級動葉片斷裂故障分析

石泉江

(中國人民解放軍92730部隊，湖南三亞 572016）

某汽輪機3片復速級第二級動葉片發(fā)生斷裂故障，經(jīng)宏觀檢查、葉片材料性能分析、有限元分析及疲勞壽命對比分析發(fā)現(xiàn)，葉片根部倒圓加工尺寸偏小和葉片材料夾雜物局部偏聚是導致葉片疲勞斷裂的主要原因，經(jīng)提高葉片材料夾雜物等級和葉根倒圓加工精度，重新定做并更換葉片后，機組連續(xù)運行結果表明，機組運行正常，故障消除。

復速級;葉片斷裂;加工精度;疲勞壽命;夾雜物等級

0 引言

2011年3月14日，某2#汽輪發(fā)電機組突然出現(xiàn)振動增加，并伴隨內(nèi)部有碰擦聲。經(jīng)檢查機組復速級第一級葉片無異常損傷，復速級第二級動葉片有斷裂，并卡塞在復速級第二級葉片和復速級出口的護環(huán)之間，編號分別為72#，73#和74#葉片。對于T型葉根的葉片來說，一般情況下主要有2個危險截面:1個為上部危險截面，1個為下部危險截面。本次故障斷裂的3片葉片中有2片在下部危險截面處 (編號分別為72#和74#葉片），1片在上部危險截面處 (編號為73#），如圖1所示。

圖1 斷裂葉片實物圖Fig.1 The objective picture of the rupture blades

為此對葉片的斷裂原因進行技術分析。

1 動葉片的受力分析

在靜強度考核條件下，動葉片所受的力簡化后可以認為主要由離心力Cn、軸向氣流力Pa、周向氣流力Pu以及離心力在各個考核截面上所受的偏心彎應力矩 (形成偏心彎應力）組成，受力簡圖如圖2所示。由于離心力Cn的數(shù)量級往往比氣流力Pa和Pu高出好幾倍，離心力也成為決定性的影響因素。因此，在進行靜強度考核時，葉根部分面積最小的截面 (即圖2中所示的下截面）將成為最危險截面 (在后續(xù)工作中的上危險截面即表示此處的上截面，而下危險截面則表示此處的下截面）。

圖2 動葉片受力分析簡圖Fig.2 The simple graph ofmechanical analysis for the rotor blades

圖3 上下2個截面上振動應力示意簡圖Fig.3 The schematic plan of vibration stress on the two dangerous cross-section

從宏觀上看，在疲勞考核過程中，由于上截面更靠近葉身型線部分，且葉片安裝過程中會在葉片的中間件部分形成一定的安裝預緊力，相對于下截面來說紊亂氣流造成的振動應力更容易傳遞到上截面，當振動應力傳遞至下截面處時各種阻尼的作用則已經(jīng)衰減很多，因此上截面所受到的振動應力往往較下截面的振動應力要大。但下截面所受的拉彎合成應力一般要比上截面大，如此則形成了下截面上拉彎合成應力高而動應力低，上截面拉彎合成應力低而動應力高的局面，如圖3所示。因此在疲勞考核過程中，上下2個截面中哪個截面是最危險截面必須在進行綜合計算評估后方能確定。

2 相關復查

從制造廠提供的資料來看，其葉片材料的化學成分和機械性能數(shù)據(jù)均滿足要求。而磁粉探傷結果以及檢驗手續(xù)、超差回用等情況也滿足技術要求，但在葉根關鍵倒圓的加工精度上存在較多的超差現(xiàn)象，即圖4中的A1，A2和A3處倒圓尺寸存在超差現(xiàn)象。

圖4 葉根關鍵倒圓示意圖Fig.4 The schematic plan of the key rounding on the hub zone of the blade

從復查結果來看，生產(chǎn)制造過程中的葉根關鍵倒圓加工尺寸有超差顯現(xiàn)，但其對葉片的強度和疲勞的影響大小，也將結合后續(xù)的計算進行分析。

3 葉片材料性能分析

通過對斷裂葉片的宏觀檢測分析、化學成分測試、金相檢驗、硬度測試、斷口綜合分析、微觀組織結構觀察、微區(qū)元素分析、夾雜物分析、粗糙度測試、透射電鏡分析、氫含量測試以及內(nèi)部裂紋分析后發(fā)現(xiàn):

1）通過宏觀和微觀斷口觀察分析，結果表明73#葉片斷口表面覆蓋有較厚的氧化產(chǎn)物層，斷口整體平滑，呈脆斷特征，在3片失效葉片中最早發(fā)生斷裂，失效模式為由于疲勞產(chǎn)生的斷裂，裂紋源起始于出汽側內(nèi)緣和進汽側外緣，疲勞裂紋源為應力集中引起;

2）葉片材料的化學成分符合ZBK54023－88的要求，葉片鋼材料夾雜物評級符合國家標準要求，但在部分區(qū)域可見夾雜物偏聚或成線狀分布。

3）斷裂葉根表面存在一定深度的機械加工刀痕;

4）采用熒光和超聲等無損檢測方法，對其他未失效葉片檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4 計算復核

對復速級第二級動葉片的設計尺寸模型 (葉根尺寸為設計尺寸）和加工尺寸模型 (葉根尺寸為實際加工尺寸）從強度、振動以及疲勞壽命等方面采用傳統(tǒng)計算方法和有限元計算方法分別進行對比計算分析。

在額定轉速6 521 r/min工作狀態(tài)下，經(jīng)靜態(tài)計算，計算模型中復速級第二級葉片中間葉片的綜合應力云圖如圖5和圖6所示，其中最大應力值為554 MPa，而葉片在常溫下的屈服極限值為441 MPa，且從圖中也可以看出最大應力超過441 MPa的區(qū)域主要集中在葉根下危險界面的倒圓處，此部分的葉片材料應該已經(jīng)發(fā)生塑性變形，因此應該進行相應的葉片塑性計算。

同時，還對加工尺寸葉片模型進行應力分布計算，相關計算結果如表1所示 (其中位置1為葉根下危險截面進汽側，位置2為葉根下危險截面出氣側，位置3為葉根上危險截面出氣側，位置4為葉根上危險截面進汽側）。

圖5 設計尺寸葉片葉根下危險截面處的應力分布Fig.5 The stress distribution graph of the under dangerous cross-section near the hub zone of blade with projected dimension

圖6 設計尺寸葉片葉根上危險截面處的應力分布Fig.6 The stress distribution graph of the upper dangerous cross-section near the hub zone of blade with projected dimension

表1 葉片有限元強度計算結果Tab.1 The calculation result of FEM for the blades

從以上計算結果中可知:葉根倒圓加工尺寸偏小加劇了葉根處的應力集中水平，葉根下危險截面兩側倒圓 (位置1和位置2）的應力集中水平最高，超過了葉片材料的屈服極限，并發(fā)生了一定范圍的塑性變形，形成葉片低周疲勞的概率較大。

上危險截面兩側倒圓處的應力水平處于彈性范圍內(nèi)，若產(chǎn)生疲勞破壞則高周疲勞的概率較大;上危險截面位置3的應力水平較位置4的高，若上危險截面產(chǎn)生疲勞破壞，則位置3首先破壞的概率較大，此分析與葉片失效分析所得的疲勞源位置較為吻合。

由葉片的靜應力和動應力分析結果可知:葉片在工作轉速6 521 r/min下，葉根最大應力都發(fā)生在葉根的下危險截面進汽側倒圓處 (即位置1處），且局部應力已經(jīng)進入材料的塑性變形區(qū)，如其發(fā)生疲勞則主要發(fā)生低周疲勞，因此在做低周疲勞壽命評估時將主要以葉根下危險截面進汽側倒圓處 (位置1處）的最大應力來進行評估。

由動應力的計算結果可知，葉根下危險截面兩側倒圓處 (即位置1和位置2）的振動應力相對較小，而靜應力相對較大，超過材料的屈服極限，一般不會引起高周疲勞破壞;而葉根上危險截面兩側倒圓處 (即位置3和位置4）的動應力較大，且靜應力處于彈性范圍內(nèi)，如發(fā)生疲勞破壞則高周疲勞的概率較大，因此在做高周疲勞壽命分析時，主要針對葉根上危險截面的兩側倒圓處 (位置3和位置4）進行高周疲勞壽命評估。

表2和表3分別給出了葉片根部關鍵位置處的疲勞壽命評估對比結果。

表2 汽輪機葉片低周疲勞壽命評估結果Tab.2 The evaluation result of the low-cycle fatigue life for the blades

表3 汽輪機葉片高周疲勞壽命評估結果Tab.3 The evaluation result of the high-cycle fatigue life for the blades

從評估結果可看出:

1）由于葉根倒圓的加工尺寸偏小加劇了葉根處的應力集中水平，導致加工尺寸葉片各個關鍵位置處的振動應力普遍比設計尺寸葉片的大;計算中所取的加工尺寸葉片在相同條件下的高周疲勞壽命約為設計尺寸葉片的25%左右，低周疲勞壽命約為設計尺寸葉片的18%～23%左右。

2）葉根上危險截面兩側倒圓處 (即位置3和位置4）的振動應力普遍比下危險截面兩側倒圓處(即位置1和位置2）的振動應力水平高，在相同條件下形成葉片高周疲勞的概率較大;且位置3的高周疲勞壽命比位置4的壽命略小，在上危險截面疲勞破壞時，位置3首先疲勞破壞的概率更大，與葉片失效分析中的疲勞源位置吻合。

3）葉根下危險截面兩側倒圓處 (即位置1和位置2）的靜應力水平較高，超過了材料的屈服極限σs，形成葉片低周疲勞的概率較大，且位置1的低周疲勞壽命比位置2的壽命低。在下危險截面破壞時，位置1首先疲勞破壞的概率更大。

5 整改措施

根據(jù)上述分析，廠方提高了葉片加工材料的夾雜物偏聚等級，并加強了葉片根部倒圓尺寸的加工控制，重新定做一批新葉片，在更換復裝后進行現(xiàn)場動平衡，后續(xù)的連續(xù)運行試驗結果表明:機組運行正常，故障消除。

6 結語

某汽輪機復速級葉片斷裂后，通過對葉片的受力原理分析、葉片拆檢復查、葉片材料性能分析、有限元分析以及葉片疲勞壽命的對比分析發(fā)現(xiàn)，葉片根部上危險截面倒圓處的加工尺寸偏小，導致葉片根部危險界面處局部區(qū)域應力集中，同時葉片材料存在局部區(qū)域夾雜物偏聚現(xiàn)象，在交變動應力作用下導致葉片根部危險截面處出現(xiàn)疲勞裂紋，并最終斷裂;理論分析與實際斷裂現(xiàn)象相符，后通過提高葉片加工材料的夾雜物偏聚等級和加強葉片根部倒圓尺寸的加工精度，重新定做葉片，更換后機組的連續(xù)運行試驗結果表明，機組運行正常，故障消除。

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Analysis and treatment on blade rupture failure near velocity-compounded stage of steam turbine-generator sets

SHIQuan-jiang
(No.92730 Unit of PLA，Sanya 572016，China）

A rupture failure was appearred on the second row's blade near the vecolity-compounded stage of a steam turbine-genetator sets.After the genearal check，the static stress characteristic，and the materialmeasure characteristic were obtained，the high-frequency fatigue life and the low-frequency fatigue life of the bladeswere analyzed with contradistinctive calculation.The results of analysis indicated that the fillets'process sizes near the hub zone of those bladeswere too small and the level of the inclusion in these blades'meterial were the main reason of the blade rupture.The steam turbine-generator had achieved the repair job through themethods such as the blade replace，enhanced the process precision and the level of the inclusion in these blades'meterial.The results of the operatin test shown that the steam tubine-generator sets run normally，libration steadily，and the failure was solved.

blade near vecolity-compounded stage;rupture failure of blade;process precision;fatigue life;level of the inclusion in these blades'meterial

U664.113

A

1672－7649(2013）03－0064－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.014

2012－05－17;

2012－06－16

石泉江(1972－），男，本科，工程師，研究方向為機電管理。