汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉根產(chǎn)生裂紋的原因調(diào)查

王廣坤

1 故障背景

某臺(tái)亞臨界汽輪機(jī)在進(jìn)行解體檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)級(jí)第一級(jí)動(dòng)葉葉根存在不同程度的裂紋。該調(diào)節(jié)級(jí)于3年前因長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)生微粒腐蝕、磨損而更換，并由原設(shè)備制造商按原設(shè)計(jì)進(jìn)行制造，制造廠派員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)更換。同時(shí)，未更換的第二級(jí)動(dòng)葉于上次檢查沒(méi)有大的變化。發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題后，我們及時(shí)與制造廠聯(lián)系，以查明動(dòng)葉葉根產(chǎn)生裂紋的原因和需要采取的預(yù)防措施。本文抽取有代表性的57、58、59、88、89、90共6片葉片進(jìn)行原因分析，其中第59、90葉片為完好葉片。

2 原因調(diào)查

2.1 裂紋的分布

調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉采用沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，焓降大，以適應(yīng)系統(tǒng)沖擊負(fù)荷的要求。調(diào)節(jié)級(jí)第一級(jí)動(dòng)葉為樅樹葉根、調(diào)頻葉片，整級(jí)共16組，每組5片。葉根斷口為典型的脆性斷口，斷口表面光滑，無(wú)明顯的疲勞條紋。從葉根裂紋分布情況來(lái)看，裂紋分布在各個(gè)葉片組的不同順序的葉片中，同時(shí)產(chǎn)生裂紋的葉片，其裂紋分布在葉片凸面或凹面第一或第二葉根上。從這種裂紋不規(guī)律分布現(xiàn)象來(lái)看，可以排除裂紋是因?yàn)槿~片的共振而產(chǎn)生的。裂紋的分布圖如圖1。

圖1 調(diào)節(jié)級(jí)葉根裂紋分布

2.2 磁粉探傷檢查

對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)第一級(jí)動(dòng)葉葉根及葉根槽采用磁粉進(jìn)行無(wú)損檢查，除已目視發(fā)現(xiàn)的裂紋以外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其它新增裂紋。

2.3 裂紋斷面觀察

對(duì)裂紋斷面進(jìn)行目視檢查，裂紋表面氧化皮的厚度幾乎與葉片表面的氧化皮厚度完全相同，裂紋上氧化皮的厚度基本在0.4 mm左右。根據(jù)工作蒸汽的溫度（538℃）進(jìn)行推測(cè)，該氧化皮的厚度生成需要3年的時(shí)間，由此可以推出葉片的裂紋發(fā)生在葉片更換后，投入運(yùn)行不久。

2.4 化學(xué)成分分析

對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉片取樣進(jìn)行化學(xué)分析，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，完全滿足材料化學(xué)成分規(guī)范的要求，并與出廠化學(xué)成分相差無(wú)幾。

2.5 硬度檢查

對(duì)有裂紋的57、88號(hào)葉根以及無(wú)裂紋的59號(hào)葉根進(jìn)行硬度檢測(cè)，其維氏硬度在329-341Hv之間，且與葉根有無(wú)裂紋以及距裂紋之間的距離無(wú)關(guān)，見(jiàn)圖2。

2.6 機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)

選取有裂紋的57、89號(hào)葉片和無(wú)裂紋的59、90號(hào)葉片進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)值見(jiàn)表2。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，試驗(yàn)值完全滿足葉片材料技術(shù)規(guī)范的要求。

3 原因分析

通過(guò)上述試驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果，我們可以看出以下幾點(diǎn)：

3.1 從調(diào)節(jié)級(jí)裂紋隨意分布來(lái)看，裂紋的產(chǎn)生不是葉片在機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振引起的。

圖2 葉根硬度檢查

3.2 根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)葉片上氧化皮與裂紋上氧化皮比較，氧化皮的厚度基本相同，可以認(rèn)為裂紋產(chǎn)生在2003年葉片更換后不久同一段時(shí)間內(nèi)，后續(xù)沒(méi)有新的裂紋產(chǎn)生。

3.3 葉片的材料和機(jī)械性能滿足原設(shè)計(jì)要求，可以認(rèn)為葉片制造質(zhì)量上沒(méi)有問(wèn)題。

3.4 運(yùn)行20年的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)葉片，因高溫管道及過(guò)熱器內(nèi)壁氧化皮脫落隨蒸汽進(jìn)入調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴和動(dòng)葉片，導(dǎo)致噴嘴的出汽邊磨損和動(dòng)葉葉頂?shù)臎_刷，尤其是動(dòng)葉凹面?zhèn)热~頂與圍帶的過(guò)渡區(qū)域。為了機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，2003年對(duì)調(diào)節(jié)噴嘴和沖刷嚴(yán)重的第一級(jí)動(dòng)葉進(jìn)行了更換。調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉由原制造商按照原設(shè)計(jì)的圖紙和材料進(jìn)行制造，并由制造廠指導(dǎo)員進(jìn)行指導(dǎo)和質(zhì)量控制。葉片更換在運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)上進(jìn)行，老葉片拆除后，清理葉根槽并進(jìn)行磁粉檢查，裝入新的調(diào)節(jié)級(jí)葉片和圍帶，加熱葉頂鉚釘并修整和硬度檢查。在葉片更換完成后，為了除去其它葉片上的鹽垢和氧化皮，對(duì)其余未更換的葉片還進(jìn)行了水噴砂處理。事后我們對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行反思，認(rèn)為調(diào)節(jié)級(jí)葉根產(chǎn)生裂紋的根本原因是在葉片更換后進(jìn)行的其它葉片水沖洗。為了除去葉片表面堅(jiān)硬的高溫氧化皮，采用高壓水混合石英砂聯(lián)合進(jìn)行沖洗。由于新更換的調(diào)節(jié)級(jí)葉片葉根與葉根槽之間存在間隙，加之沖洗時(shí)新更換的葉片沒(méi)有采取防止異物進(jìn)入的防護(hù)措施，致使沖洗的石英砂和沖洗下來(lái)的氧化皮進(jìn)入葉根與葉根槽之間的間隙中，造成葉根與葉根槽之間不均勻接觸，葉根應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋。

4 防范措施

調(diào)節(jié)級(jí)葉根產(chǎn)生裂紋的原因是葉根與葉根槽之間存在不均勻接觸。因此，對(duì)于汽輪機(jī)檢修或改造工程中進(jìn)行部分葉片更換應(yīng)采取有效的預(yù)防措施；以防止類似問(wèn)題的發(fā)生：

4.1 由于汽輪機(jī)長(zhǎng)期在高溫的環(huán)境條件下運(yùn)行，葉根槽不可避免的存在高溫氧化物。如果葉根槽表面氧化物清理不干凈，新葉片裝入后造成葉根葉根槽之間接觸不均勻，造成應(yīng)力集中，從而葉根產(chǎn)生裂紋。因此在新葉片裝復(fù)之前，應(yīng)除去葉根槽內(nèi)的氧化物。氧化物去除可采用拆除的舊葉片葉根和研磨砂研磨葉根槽，并用紅粉檢查葉根與葉根槽之間的接觸情況，以保證葉根與葉根槽之間均勻接觸，避免應(yīng)力集中。

4.2 去除汽輪機(jī)葉片上的高溫氧化皮，往往采用葉片噴砂、高壓水混合砂以及高壓水沖洗等方法。為了防止砂及清洗的氧化物進(jìn)入葉根與葉根槽之間的間隙中，從而損傷汽輪機(jī)葉片葉根及葉根槽，因此該部分工作安排在汽輪機(jī)新葉片裝復(fù)之前進(jìn)行。

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試驗(yàn)分析，調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉的質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)和制造的要求。造成調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉葉根裂紋的原因是葉根與葉根槽之間存在間隙，沖洗汽輪機(jī)葉片用的石英砂和沖洗下來(lái)的氧化物進(jìn)入葉根與葉根槽之間的間隙中，造成葉根與葉根槽之間不均勻接觸，導(dǎo)致葉根應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。這也在以后的汽輪機(jī)檢修過(guò)程中，葉根探傷檢查未發(fā)現(xiàn)類似問(wèn)題而得到了驗(yàn)證。為汽輪機(jī)檢修或改造過(guò)程中進(jìn)行部分葉片更換具有一定的借鑒意義。