電站汽輪機(jī)次末級葉片斷裂分析與研究

陳明科

摘 要：對某電廠汽輪機(jī)次末級葉片斷裂原因進(jìn)行了分析。通過對葉片斷裂前運(yùn)行參數(shù)、斷口形貌、化學(xué)成分、金相組織、理化試驗(yàn)等方面的分析、研究，找出葉片斷裂的主要原因?yàn)槿~片出汽側(cè)內(nèi)部存在異常淬硬組織，運(yùn)行中該處在多種應(yīng)力的作用下疲勞斷裂。在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的可行性建議。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);次末級葉片;斷裂;分析

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0178-02

汽輪機(jī)是電站機(jī)組的核心設(shè)備，其葉片擔(dān)負(fù)著將高溫蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的作用，整組葉片是在極為復(fù)雜的工作條件下長期運(yùn)行的。汽輪機(jī)葉片在運(yùn)行中不僅需承受高溫氧化腐蝕和拉力、扭力和振動應(yīng)力等組成的復(fù)雜應(yīng)力，還需承受因機(jī)組頻繁啟停、內(nèi)部氣流擾動、電網(wǎng)周波改變等因素帶來的交變載荷的作用，處于濕蒸汽區(qū)的葉片還要經(jīng)受化學(xué)腐蝕和水滴的沖蝕作用。由于汽輪機(jī)葉片斷裂事故給電廠帶來的損失和影響較大，所以對葉片斷裂事故的分析研究至關(guān)重要。

某火電廠1號汽輪機(jī)為高壓、單缸、沖動冷凝式汽輪機(jī)，型號C60-8.83/（1.233），容量60MW，葉片設(shè)計材質(zhì)為2Cr13。2018年7月，該機(jī)組汽輪機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)重大異常情況，被迫緊急停機(jī)檢修。事故發(fā)生前累計運(yùn)行小時數(shù)約6.2萬小時，最后一次A級檢修時間為2016年4月。開缸檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)次末級葉片斷裂，為明確葉片斷裂原因和葉片的使用性能，對汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片斷裂進(jìn)行了失效分析。

1 試驗(yàn)分析

1.1 葉片斷裂前運(yùn)行參數(shù)

調(diào)閱葉片斷裂前機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組在80%額定負(fù)荷附近穩(wěn)定運(yùn)行，其蒸汽參數(shù)、真空度、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱器水位等均未出現(xiàn)異常波動，調(diào)查運(yùn)行人員操作正常。

1.2 宏觀檢查

現(xiàn)場宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子末二級（第二十級）一根動葉片斷裂，葉片斷裂位置為葉片中間部位，見圖1。斷裂葉片甩出后已發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，運(yùn)行中斷裂葉片甩出后造成了缸內(nèi)損毀，末三級葉片動、靜部分均受到不同程度的機(jī)械損傷。末級葉片頂部汽封上半部分脫落，半西側(cè)變形，末級葉片進(jìn)汽側(cè)受蹭刮導(dǎo)致不同程度損傷。末二級葉片共34只出汽側(cè)損傷變形。斷裂葉片內(nèi)弧面存在橫向加工刀痕。

1.3 斷口分析

葉片斷口形貌見圖2。為便于分析，將斷口分為3個區(qū)域。從斷口形貌來看，斷面上存在較為明顯的疲勞貝紋，從疲勞紋路推斷：斷裂起源于出汽側(cè)拐角處（第1區(qū)），該區(qū)域斷面較粗糙，為快速啟裂部位;疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（中段部分，第2區(qū)）斷面較為平滑是疲勞裂紋區(qū)，由于運(yùn)行中受到交變應(yīng)力的作用下使該區(qū)域表面磨細(xì)成瓷狀，可見疲勞前沿線（貝殼紋路）的發(fā)展痕跡，前沿線向進(jìn)汽側(cè)發(fā)展，為速度較慢的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域;最終斷裂區(qū)（瞬斷區(qū)，第3區(qū)）位于進(jìn)汽側(cè)端部，斷面不平整，與擴(kuò)展區(qū)存在一明顯角度，為最終撕裂部位。

1.4 光譜分析

查閱相關(guān)技術(shù)資料，該葉片材質(zhì)為2Cr13馬氏體不銹鋼。采用牛津臺式直讀光譜儀（型號：FOUNDRY-MASTER Pro）對斷裂葉片進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。由表1可見，其主要化學(xué)成分含量符合國標(biāo)GB1220-2016對2Cr13的規(guī)定。

1.5 金相檢測

在緊挨斷面與斷面平行截取試樣進(jìn)行微觀組織分析，拋光浸蝕后發(fā)現(xiàn)靠進(jìn)汽側(cè)存在一明顯組織分界線。在葉片出汽側(cè)外弧表面一區(qū)域進(jìn)行了拋光浸蝕，也發(fā)現(xiàn)存在與截面分界線相連的分界線，見圖3所示。對不同區(qū)域組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，靠出汽側(cè)端部區(qū)域組織與其它區(qū)域存在明顯差異，見圖4～5。從組織形貌來看，靠出汽側(cè)端部組織為隱針馬氏體（細(xì)針狀高碳馬氏體組織），為淬火組織，范圍20mm×20mm;其它部位為回火馬氏體組織，組織較為均勻，為正常的組織，兩區(qū)域均發(fā)現(xiàn)夾雜物存在。

1.6 硬度檢測

針對金相檢測發(fā)現(xiàn)的兩種不同組織，使用華銀HV-1000A維氏硬度計分別對兩種組織形態(tài)的區(qū)域進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果（系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為HB）見表2。從硬度檢測結(jié)果來看，隱針馬氏體組織區(qū)域硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)DL/T438-2016規(guī)定的2Cr13硬度范圍（212-277HB），其它部位硬度正常。

2 原因分析

通過理化試驗(yàn)結(jié)果和事故前機(jī)組運(yùn)行參數(shù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）葉片斷裂前機(jī)組各項運(yùn)行參數(shù)正常，也沒有異常人工操作，結(jié)合開缸后的檢查情況，排除汽輪機(jī)過水造成葉片水沖擊斷裂的可能性。

（2）參照葉片的斷口形貌可以得出：第一區(qū)為啟裂源區(qū)，源區(qū)紋路粗糙，沒有貝殼紋，具有疲勞斷裂特征，為應(yīng)力腐蝕區(qū);第二區(qū)為裂紋發(fā)展的后區(qū)，可見貝殼紋為疲勞斷面;第三區(qū)為最終拉斷區(qū)。

（3）造成葉片斷裂的主要原因?yàn)槿~片出汽側(cè)存在組織異常區(qū)域，葉片斷裂源區(qū)存在20mm×20mm硬度及組織異常區(qū)域，該區(qū)域硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，組織為隱針馬氏體，脆性較大，具有快速啟裂特征，斷裂葉片內(nèi)弧面存在橫向加工刀痕，加劇應(yīng)力集中，加快裂紋的萌生和發(fā)展。該區(qū)域正常組織與非正常組織的分界線是應(yīng)力集中區(qū)域，葉片經(jīng)長期運(yùn)行，因疲勞積累，使疲勞強(qiáng)度下降，裂紋自分界線起裂短時間內(nèi)迅速延伸至正常組織邊沿，逐漸切向延伸形成裂紋發(fā)展的后區(qū)，當(dāng)疲勞裂紋發(fā)展接近第三區(qū)時，由于葉片有效截面不斷減小，增加了葉片的應(yīng)力，在不足以抵抗多次交變應(yīng)力的作用下，瞬間發(fā)生了斷裂。

3 處理與建議

（1）導(dǎo)致本次事故的直接原因是葉片內(nèi)部含有異常淬硬組織，因淬硬組織是材料局部微觀組織變化，無法通過外部宏觀檢查和無損探傷手段發(fā)現(xiàn)。此次斷口取樣發(fā)現(xiàn)的組織異常是通過實(shí)驗(yàn)室金相檢測與硬度檢測相結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)的，檢修中不可能對每片葉片進(jìn)行100%面積的金相分析檢查。目前無控制手段從源頭（葉片的冶金狀態(tài)的夾雜、加工中的熱處理規(guī)范否）進(jìn)行質(zhì)量控制，檢修中無法通過宏觀檢查、無損檢測等方法發(fā)現(xiàn)淬硬組織?；谏鲜鲈颍Y(jié)合缸內(nèi)葉片的損傷情況，建議更換末二級所有損傷的葉片，對末級損傷的葉片及其他損傷的靜葉片、汽封條等進(jìn)行修復(fù)。

（2）由于機(jī)組已經(jīng)過2個大修周期，對于葉片局部異常組織（淬火組織）形成原因目前以無法確定。葉片斷裂處的異常組織可能在制造階段形成，比如裝配階段葉片變形矯正（熱整形，或冷矯正）均可以使局部組織產(chǎn)生變化，導(dǎo)致硬度升高，脆性增加;也可能在檢修中發(fā)生碰撞后熱冷矯正形成淬硬組織。在今后對汽輪機(jī)葉片檢修時需嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程，杜絕檢修中因異物碰撞葉片造成葉片局部應(yīng)力集中的隱患。對于新更換的葉片，要求生產(chǎn)廠家嚴(yán)格規(guī)范加工工藝過程，避免出現(xiàn)葉片表面留有加工刀痕、粗糙度不好、葉片扭轉(zhuǎn)接刀處不當(dāng)?shù)饶芤饝?yīng)力集中的因素。

（3）加強(qiáng)對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片金屬技術(shù)監(jiān)督，定期對低壓轉(zhuǎn)子末三級葉片、葉根和末級套裝葉輪軸向鍵槽部位進(jìn)行無損探傷。由于末幾級低壓轉(zhuǎn)子長期經(jīng)受濕蒸汽的腐蝕和沖蝕，且應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，葉片和葉根處容易產(chǎn)生微裂紋，通過對葉片、葉根槽等相關(guān)部位進(jìn)行無損檢測，可有效發(fā)現(xiàn)并及時消除已形成的宏觀缺陷和微觀缺陷。目前汽輪機(jī)葉片與葉根槽常用檢測方法為磁粉檢測、滲透檢測和常規(guī)超聲波檢測，近幾年新應(yīng)用的陣列渦流檢測技術(shù)和相控陣檢測技術(shù)進(jìn)一步提高了檢測效率和可靠性。

（4）加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行監(jiān)督管理，改善運(yùn)行條件，避免出現(xiàn)汽輪機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定、共振、水擊等造成葉片疲勞損傷;保持氣溫穩(wěn)定，防止汽溫過高或過低使高壓葉片的高溫疲勞損傷或最后幾級葉片濕蒸汽沖蝕加大;加強(qiáng)對汽水品質(zhì)的監(jiān)督控制，減少有害雜質(zhì)含量，防止葉片結(jié)垢腐蝕;加強(qiáng)運(yùn)行人員事故判斷能力，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)葉片斷裂時應(yīng)及時停機(jī)處理，避免事故擴(kuò)大。

4 結(jié)語

汽輪機(jī)葉片在高溫、高應(yīng)力、腐蝕的惡劣條件下工作，其葉片斷裂是一件復(fù)雜的過程，往往有多種原因的作用和影響。通過對葉片斷裂的原因進(jìn)行分析并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，可以有效增加汽輪機(jī)葉片運(yùn)行可靠性，進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)型。

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