汽輪機低壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂原因分析

牛玉靜 馮文吉 蔣成虎 馬東方 高秀娜

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450000；2.國家電投技術(shù)信息中心，河南鄭州 450000 )

汽輪機低壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂原因分析

牛玉靜1馮文吉1蔣成虎2馬東方1高秀娜1

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450000；2.國家電投技術(shù)信息中心，河南鄭州 450000 )

通過現(xiàn)場調(diào)查、斷口分析和理化檢驗，以及機組運行期間所檢出葉片裂紋分布情況的研究，對某電廠汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片的斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明，末級葉片硬質(zhì)合金存在原始鑲焊質(zhì)量不良區(qū)域，在機組長期運行后形成了疲勞裂紋，最終導致葉片斷裂。

汽輪機 低壓轉(zhuǎn)子 末級葉片 斷裂分析

汽輪機葉片按其工作性質(zhì)可分為動葉片及靜葉片兩種類型。動葉片又稱為工作葉片，主要起傳遞動力的作用；靜葉片又稱為導向葉片，主要起導向流體的作用[1]。由于葉片工作條件惡劣，受力情況復雜，斷裂事故經(jīng)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至關(guān)重要[2- 3]。

某電廠汽輪機型號為NC200/160- 12.7(130)/535/535- I D35系列，由東方汽輪機廠生產(chǎn)。圖1為該汽輪機低壓轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)，采用分流布置，正反向各6級，其中末級葉片數(shù)量為2×94片，采用七叉型葉根，葉身長度為851 mm，通過自帶圍帶和拉筋的焊接5～6片葉片形成一組。葉片材質(zhì)為2Cr11NiMo1V鋼，為提高末級葉片的抗沖蝕能力，由葉片頂部起始在進汽邊背弧鑲焊了長280 mm的司太立硬質(zhì)合金(Co60Cr30W5)(見圖2)。

圖1 汽輪機葉片結(jié)構(gòu)

該電廠汽輪機在運行期間，電機側(cè)低壓轉(zhuǎn)子末級第14組第6片動葉片發(fā)生斷裂(見圖3)，并造成部分同級葉片損傷。葉片斷裂面距葉片頂部280 mm，與葉片長度方向成90°，位于葉片鑲焊司太立合金的交界處。

圖2 進汽側(cè)背弧鑲焊的硬質(zhì)合金寬度

該機組于1992年投運，截止本次葉片斷裂，累計運行144 631 h，2009年大修后累計啟停20次。

圖3 斷裂葉片宏觀形貌

1 試驗材料分析

采用Niton XL3T便攜式數(shù)字合金分析儀對斷裂葉片的材質(zhì)進行檢驗，其主要合金成分含量檢驗結(jié)果均符合有關(guān)標準要求，見表1。

表1 葉片基體和硬質(zhì)合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

在距葉片斷面下方約7 mm處、平行于斷面截取試樣，使用臺式硬度計對葉片硬度進行測量，葉片基體硬度為295 HB，符合標準要求(285～331 HB)。并在同一位置進行顯微組織檢驗[6- 7]，葉片基體組織為回火馬氏體，組織正常(見圖4)。

圖4 斷裂葉片基體的顯微組織

Fig.4 Microstructure of fractured blade matrix

2 斷口分析

葉片斷面距葉根570 mm，距葉片頂部280 mm，正好位于葉片鑲焊司太立合金的交界處。斷裂處葉身寬約130 mm，整個斷面與葉片長度方向大致成90°，如圖3所示。

斷面宏觀形態(tài)如圖5和圖6所示。按斷口宏觀形態(tài)特征，斷面可分為A、B兩個斷裂區(qū)。其中，A區(qū)面積約占整個斷面的1/3，斷面平整，斷裂紋路細膩，雖有明顯銹蝕現(xiàn)象，但仍清晰可見有多條裂紋擴展時因應力變化引起的貝殼花紋，為典型的疲勞斷裂特征，斷裂起源于葉片進汽側(cè)拐角處[8]。B區(qū)斷面有3次大的轉(zhuǎn)折變化，并與葉身成較大角度，斷面整體色澤較為鮮艷，屬于裂紋快速發(fā)展的瞬斷區(qū)。由于葉片斷后，斷面沒有采取相應的保護措施，在疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)交界處已形成有明顯的紅色和褐色浮銹。疲勞裂紋源區(qū)附近斷面色澤較深，斷裂紋路比疲勞擴展區(qū)粗糙，葉片內(nèi)外弧拐角處裂紋源區(qū)有明顯的碰撞痕跡，其色澤光亮新鮮，應為葉片斷裂后形成的，如圖6和圖7所示。

圖5 葉片斷面宏觀形態(tài)

圖6 A區(qū)斷面宏觀疲勞斷裂形態(tài)

圖7 疲勞裂紋源區(qū)的碰磨痕跡

疲勞裂紋在擴展過程中，如果受到較大幅度的應力變化，就會改變擴展速度和微觀斷裂形態(tài)，進而會在斷面上留下類似貝殼紋的相關(guān)痕跡。相對來說，機組啟停和甩負荷等工況，會對汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片的受力產(chǎn)生較大影響。

該機組上次大修時間是2009年5月，低壓轉(zhuǎn)子末級葉片探傷發(fā)現(xiàn)有21處裂紋缺陷。大修后，汽輪機累計啟停20 次，期間運行沒有甩負荷等異常情況。而在葉片疲勞斷裂面只觀察到10條貝殼紋(見圖6)，因此即使考慮到疲勞裂紋有較長的萌生期，也可認為本次葉片疲勞斷裂的起源時間位于2009年機組大修后。

3 末級葉片歷次缺陷檢驗概況

該機組投運于1992年，截止本次葉片斷裂，已經(jīng)運行21年，經(jīng)過了數(shù)次大修。通過查閱機組運行檢修歷史資料，發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子末級葉片裂紋情況如下：

(1)1996年10月該機組第一次大修時，低壓轉(zhuǎn)子末級葉片探傷檢驗發(fā)現(xiàn)，在進汽側(cè)內(nèi)外弧拐角、硬質(zhì)合金與葉片結(jié)合處(距葉片頂部280 mm)有3片葉片存在橫向(垂直于葉片長度方向)裂紋，經(jīng)技術(shù)人員打磨消除后，進行了焊補處理。

(2)2009年5月該機組大修，低壓轉(zhuǎn)子末級葉片探傷發(fā)現(xiàn)有21處裂紋缺陷。反向末級共發(fā)現(xiàn)21片葉片在進汽側(cè)存在缺陷，其中，6片葉片存在橫向裂紋，全部位于距葉頂280 mm附近，即葉片和鑲焊硬質(zhì)合金的交界位置，見圖8(a)；并有4片葉片在進汽側(cè)背弧距邊緣10～12 mm處存在裂紋，見圖8(b)；1片存在縱向裂紋，15片在葉片與硬質(zhì)合金結(jié)合處存在點狀線缺陷，分別如圖9和圖10所示；還發(fā)現(xiàn)1- 1葉片在進汽側(cè)拉筋上方100 mm處有一個20 mm×20 mm的補焊區(qū)。

圖8 距葉頂280 mm處進汽側(cè)裂紋典型形態(tài)

圖9 進汽側(cè)縱向裂紋形態(tài)

圖10 進汽側(cè)縱向點狀線缺陷形態(tài)

正向末級共發(fā)現(xiàn)29片葉片存在進汽側(cè)裂紋，除15- 1葉片進汽邊內(nèi)弧拉筋至圍帶區(qū)域裂紋位置表述不夠明確外，有11片葉片存在橫向裂紋，其中7片葉片的橫向裂紋位于距葉頂280 mm處，是葉片和鑲焊硬質(zhì)合金的交界位置；17片葉片存在縱向裂紋或點狀線缺陷，其中有16片葉片缺陷距進汽側(cè)邊緣15 mm處，位于葉片和鑲焊硬質(zhì)合金的交界處。

特許標準計劃的實施，擺脫了以往以學校為單位的青少年人才選拔機制，充分利用了英足總和英國職業(yè)足球俱樂部在資金、師資、場地設(shè)施等方面的優(yōu)勢，以社區(qū)（區(qū)域）為單位，最大限度地發(fā)現(xiàn)、挖掘青少年足球人才，逐漸形成職業(yè)足球、校園足球、社區(qū)足球相結(jié)合的青少年足球發(fā)展網(wǎng)絡(luò)[5]。

4 斷裂原因分析

4.1 葉片材質(zhì)對葉片開裂的影響

對斷裂葉片的化學成分、硬度及顯微組織進行檢驗，結(jié)果符合有關(guān)標準要求。

由于斷裂葉片在進汽側(cè)拐角處有明顯的碰撞痕跡，疲勞裂紋源區(qū)的原始斷裂形態(tài)特征已經(jīng)遭到破壞，因此，該區(qū)是否存在有原始冶金或機械損傷等缺陷而誘發(fā)或促使了疲勞裂紋的形成，目前已經(jīng)無法判別。但是，考慮到機組已經(jīng)累計投運了21年，運行了144 631 h，因此，裂紋源區(qū)是否存在有原始冶金缺陷，已經(jīng)不再是影響本次葉片斷裂的主要因素。

綜合以上檢驗結(jié)果和相關(guān)分析，可認為本次葉片斷裂與葉片原始材質(zhì)沒有直接關(guān)系。

4.2 異物撞擊引發(fā)葉片斷裂的可能性

轉(zhuǎn)子運行期間，若有外來異物撞擊葉片，可能會引發(fā)葉片損傷，形成疲勞裂紋源，進而造成葉片疲勞斷裂。

斷裂葉片疲勞裂紋源區(qū)位于進汽側(cè)內(nèi)外弧拐角處，雖然存在明顯的碰撞痕跡，但疲勞裂紋源區(qū)附近斷面的色澤較深，有明顯的腐蝕特征，而拐角的撞痕區(qū)域色澤鮮亮，沒有腐蝕跡象，應為近期葉片斷裂后撞擊形成的。

4.3 機組運行對葉片裂紋的影響

汽輪機低壓轉(zhuǎn)子末級葉片由于長期處于濕蒸汽狀態(tài)下運行，必然會受到化學腐蝕和水滴的沖刷磨損。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該機所有末級葉片在進汽側(cè)背弧和出汽側(cè)背弧，從葉根到拉筋位置約470 mm范圍內(nèi)，均存在明顯的沖蝕現(xiàn)象。圖11清晰地顯示了葉片進汽側(cè)背弧面沖蝕方向和形態(tài)特征。圖12為斷裂葉片背弧面沖蝕區(qū)域形態(tài)。圖13則顯示了斷面附近進汽側(cè)背弧面沖蝕形態(tài)和深度。

圖11～圖13表明，沖蝕是沿葉片橫向進行的，并且在進、出汽邊緣處最為嚴重。該機經(jīng)過長期運行后，末級葉片背弧表面局部區(qū)域的金屬基體已經(jīng)被嚴重沖刷磨損和腐蝕，而形成鋸齒狀。顯然，沖蝕不但對金屬基體產(chǎn)生了分割作用，還會加劇葉片局部的應力集中現(xiàn)象，同時，在葉片基體與硬質(zhì)合金的鑲焊區(qū)，由于材質(zhì)和組織的不同，更易發(fā)生電化學腐蝕。所有這些因素都會造成該區(qū)域葉片性能的下降，進而促使葉片橫向裂紋的形成。

圖11 葉片進汽側(cè)背弧面沖蝕方向和形態(tài)

圖12 進汽側(cè)(a)和出汽側(cè)(b)背弧沖蝕區(qū)域

圖13 與斷面平行(下方7 mm處)進汽側(cè)背弧面沖蝕形態(tài)和深度

汽輪機葉片工作環(huán)境惡劣，受力狀況復雜。轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時，葉片的離心力會產(chǎn)生較大的拉應力，蒸汽流動的壓力會造成葉片的彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力，機組頻繁起停、氣流擾動、電網(wǎng)周波變化也會形成交變應力，如果存在制造、安裝等質(zhì)量問題，還會引發(fā)葉片振動的激振力，而處于濕蒸汽區(qū)的葉片，特別是末級葉片，還要經(jīng)受化學腐蝕和水滴的沖蝕作用。機組長期運行后，這些因素的共同作用，會使葉片基體，尤其是末級葉片與硬質(zhì)合金鑲焊處的損傷累積，性能下降，進而導致疲勞裂紋的萌生。

4.4 制造質(zhì)量對葉片裂紋的影響

該機組于1992年投運，目前已累計運行了144 631 h。1996年10月首次大修，即發(fā)現(xiàn)在進汽側(cè)內(nèi)外弧拐角、硬質(zhì)合金與葉片結(jié)合處(距葉片頂部280 mm)有3片葉片存在橫向(垂直于葉片長度方向)裂紋。2009年5月大修發(fā)現(xiàn)21處末級葉片裂紋，其中3片末級葉片在硬質(zhì)合金與葉片結(jié)合處(距葉片頂部280 mm)存在橫向裂紋。

2009年檢修期間，發(fā)現(xiàn)有33片葉片存在縱向裂紋或點狀線缺陷，20片葉片存在橫向裂紋。縱向裂紋中，31片的缺陷處于葉片和鑲焊硬質(zhì)合金的交界位置，交界位置缺陷率達到94%；橫向裂紋中，16處裂紋位于距葉頂280 mm處，即硬質(zhì)合金與葉片基體交界處，交界位置缺陷率達到80%。

5 結(jié)束語

在硬質(zhì)合金與葉片交界區(qū)，由于材質(zhì)的變化和鑲焊的原因，在末級葉片承受沖蝕、高速轉(zhuǎn)動形成的離心力和振動交變應力等長時期的共同作用下，容易萌生裂紋。同時，汽輪機運行期間，由于末級葉片具有較大的質(zhì)量和尺寸，其高速轉(zhuǎn)動時的離心力會產(chǎn)生較大的拉應力，因而，在硬質(zhì)合金與葉片的橫向交界區(qū)更易萌生疲勞裂紋，縱向交界區(qū)則大多為點狀線缺陷，裂紋較少。

通常情況下，葉片內(nèi)外弧拐角處由于應力集中，也更易萌生橫向疲勞裂紋。但是，如果硬質(zhì)合金與葉片鑲焊有質(zhì)量問題，如原始鑲焊質(zhì)量欠佳，或鑲焊區(qū)遭到?jīng)_蝕等影響后，性能大幅下降等，也會在葉片背弧鑲焊區(qū)缺陷位置產(chǎn)生橫向裂紋。

綜合分析以上各類試驗數(shù)據(jù)，可以認為：機組長時間運行后末級葉片金屬材料基體的各種累積損傷，在葉片硬質(zhì)合金原始鑲焊質(zhì)量不良區(qū)域逐步形成疲勞裂紋，并最終導致了葉片斷裂。

[1] 周岳琨,王建新，管繼偉，等.汽輪機葉片設(shè)計和幾何成型方法綜述[J].汽輪機技術(shù)，2001,43(4):198- 202.

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收修改稿日期：2016- 06- 27

Fracture Analysis of Low-Pressure Rotor for Steam Turbine

Niu Yujing1Feng Wenji1Jiang Chenghu2Ma Dongfang1Gao Xiuna1

(1. State Grid Henan Electric Power Research Institute， Zhengzhou Henan 450000， China;2. SPIC Information & Technology Co., Ltd(Center)., Zhengzhou Henan 450000， China)

The fracture causes of last stage blades for low- pressure turbine rotor in a power plant were analyzed through the field survey, fracture analysis, physical & chemical testings and research on the distribution of the detected blade crack during plant operation. The results showed that there was badly welded area between last stage blade and hard alloy, and that fatigue cracks were formed in the long run of the unit, which ultimately caused the blade fracture.

steam turbine， low- pressure rotor, last stage blade， fracture analysis

牛玉靜，女，工程師，碩士，主要研究方向為電廠用高溫高壓部件金屬材料失效分析,Email: Niuyujing2163.com