50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組葉片斷裂原因分析

張 弼

(中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

某公司電站配置2臺(tái)由上海汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的 C50-10.4/4.41型50 MW汽輪機(jī)， 單缸、 沖動(dòng)， 具有1級(jí)調(diào)整抽汽的抽凝機(jī)組。轉(zhuǎn)子系采用鉻鉬釩珠光體鋼整體鍛造和套裝葉輪組合式結(jié)構(gòu)， 一共有16級(jí)葉片， 其中有2級(jí)為調(diào)節(jié)級(jí)。末3級(jí)葉片采用長(zhǎng)扭自由葉片， 材料為2Cr12MoV，其中次末級(jí)葉片葉高378 mm，末級(jí)葉片葉高540 mm。機(jī)組投運(yùn)5年后，2臺(tái)汽輪機(jī)陸續(xù)發(fā)生葉片斷裂事故，斷口均在葉根過(guò)渡區(qū)圓角處。頻繁的葉片斷裂事故給裝置和電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行造成重大影響,也給公司造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 故障現(xiàn)象

汽輪發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，在未有任何先兆的情況下，其前、后軸承振動(dòng)突然大幅上升，數(shù)秒內(nèi)直接竄升至聯(lián)鎖值(≥254 μm)造成機(jī)組停機(jī)。同時(shí)，前、后徑向軸瓦溫度也略有上升。

經(jīng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析，認(rèn)為質(zhì)量不平衡和碰磨是振動(dòng)突然升高的主要原因。機(jī)組冷卻揭缸后，發(fā)現(xiàn)次末級(jí)(第15級(jí))有一葉片(整級(jí)共102片)于葉根處斷裂，斷裂面與葉輪輪槽基本齊平，斷口呈明顯疲勞斷裂特征，如圖1所示。

同時(shí)斷裂葉身在高速離心力作用下還對(duì)其他相鄰葉片及隔板造成了沖擊損傷。

首次事故發(fā)生后采取更換受損葉片的方法進(jìn)行修復(fù)， 并對(duì)其他葉片進(jìn)行磁粉檢測(cè)、 靜頻率測(cè)試以查看葉片質(zhì)量。檢查合格的回裝， 繼續(xù)使用。由于未從根本上解決問(wèn)題， 其后的1年間2臺(tái)機(jī)組又連續(xù)發(fā)生了多次葉片斷裂事故， 斷裂級(jí)均為次末級(jí)， 斷口位置、 形貌基本與第一次相同。

圖1 葉根斷裂及葉片損傷情況

2 原因分析

汽輪機(jī)發(fā)生葉片斷裂事故后，通過(guò)對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行分析以及建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行有限元分析等方法分析葉片斷裂原因，對(duì)葉片強(qiáng)度、應(yīng)力進(jìn)行理論核算，查找根本原因。

2.1 材質(zhì)分析

對(duì)斷裂葉片進(jìn)行材質(zhì)及金相分析。材質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，材料的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)要求。金相分析結(jié)果顯示，其金相組織為回火索氏體，晶粒度正常，無(wú)夾雜物。上述結(jié)果說(shuō)明，該葉片材質(zhì)良好。

表1 斷裂葉片的材質(zhì)分析(2Cr12MoV) w,%

2.2 斷口分析

次末級(jí)葉片設(shè)計(jì)采用外包雙倒T形葉根型式，其斷裂部位在葉根過(guò)渡區(qū)圓角截面處，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，除快速折斷區(qū)表面較為粗糙外，斷口表面整體較為平順光滑，呈現(xiàn)出明顯的金屬疲勞斷裂特征。經(jīng)分析判斷，該斷口裂紋起源處位于進(jìn)汽邊內(nèi)弧側(cè)的葉根過(guò)渡圓角區(qū)域，快速折斷區(qū)約占整個(gè)斷面面積的30%,其余均為疲勞斷裂區(qū)。

圖2 斷裂葉片葉根過(guò)渡圓角處的斷口形貌

2.3 頻率校核

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)葉片靜頻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)分布在205.0～218.0 Hz區(qū)域，其分散度計(jì)算如下：

(1)

式中：Δf——葉片靜頻分散度；

fmax——測(cè)試最大靜頻，Hz；

fmin——測(cè)試最小靜頻，Hz。

經(jīng)計(jì)算，葉片靜頻分散度為6.14%，符合≤8%的要求，說(shuō)明葉片靜頻值正常。

工作狀態(tài)下的葉片靜頻計(jì)算如下：

(2)

式中：fi——溫度70 ℃時(shí)的葉片靜頻，Hz；

f0——次末級(jí)葉片靜頻測(cè)量值的平均值,Hz；

E0——溫度20 ℃時(shí)，材料 2Cr12MoV 的彈性模量，N/mm2；

Et——溫度70 ℃時(shí)，材料 2Cr12MoV 的彈性模量，N/mm2。

其中f0=210.9 Hz ，

E0=21.6×104N/mm2，

Et=21.4×104N/mm2。

動(dòng)頻計(jì)算：

(3)

式中：fd——溫度為70 ℃、機(jī)組轉(zhuǎn)速為n時(shí)的葉片動(dòng)頻值，Hz；

B——葉片的動(dòng)頻系數(shù)；

n——機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min。

葉片靜、動(dòng)頻計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 葉片頻率計(jì)算結(jié)果(工作溫度70 ℃)

根據(jù)葉片頻率計(jì)算結(jié)果可以得到相應(yīng)的坎貝爾圖，如圖3所示。從圖3中可以了解到：在2 700 r/min時(shí)，葉片會(huì)產(chǎn)生5倍共振；在轉(zhuǎn)速n=2 200 r/min時(shí)，葉片會(huì)產(chǎn)生6倍共振。而發(fā)電汽輪機(jī)的正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，偏離共振區(qū)域較遠(yuǎn)。但如果機(jī)組頻繁啟停，也可能造成一定影響。該機(jī)組運(yùn)行的5年間，共開(kāi)停31次，每次開(kāi)機(jī)均會(huì)安排機(jī)組主汽門(mén)、高調(diào)閥進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)和注油試驗(yàn)等，加上機(jī)組超速試驗(yàn)，5年累計(jì)通過(guò)共振區(qū)域次數(shù)已超百次。而且，次末級(jí)葉片的一階振型為切向Ao型振動(dòng)，是一種比較危險(xiǎn)的振動(dòng)形式【1】。次末級(jí)葉片一階振型俯視圖如圖4所示。

圖3 次末級(jí)葉片坎貝爾圖

通過(guò)圖2和圖4的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際葉根斷口表面疲勞裂紋的延展方向與理論測(cè)算得出的葉片一階振型方向相符合，實(shí)際的裂紋源與理論測(cè)算一致。

圖4 次末級(jí)葉片一階振型俯視圖

2.4 葉片強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，作用在葉片上的有2種力，分別是葉片隨軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力和高壓蒸汽沖擊葉片所產(chǎn)生的汽流作用力。該葉片為長(zhǎng)扭自由葉片，其進(jìn)汽、出汽、背弧邊時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 葉片進(jìn)汽、出汽、背弧邊時(shí)的應(yīng)力變化(n=3 000 r/min)

由圖5可見(jiàn)，該葉片運(yùn)行期間最大應(yīng)力為144.9 MPa，位于約0.1倍葉高(即37 mm左右)處。葉片材料為2Cr12MoV，其屈服極限按下限考慮為590 MPa，則安全系數(shù)K=590/144.9=4.07，滿(mǎn)足≥1.6的要求【2】。上述結(jié)果說(shuō)明，該葉片自身強(qiáng)度無(wú)問(wèn)題。

2.5 葉根強(qiáng)度計(jì)算

葉根按實(shí)體尺寸進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，其中倒角r=1.5 mm，葉根寬度b=25.7 mm。靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖6和表3所示。

由表3可見(jiàn)：次末級(jí)動(dòng)葉葉根的拉應(yīng)力滿(mǎn)足安全系數(shù)K拉≥2.5的要求；擠壓應(yīng)力滿(mǎn)足安全系數(shù)K擠≥1.25的要求；剪應(yīng)力滿(mǎn)足安全系數(shù)K剪≥3.3的要求。

圖6 次末級(jí)葉根強(qiáng)度計(jì)算示意

上述材料力學(xué)解析方法的計(jì)算結(jié)果顯示，各截面的理論應(yīng)力均符合安全要求。但是，此計(jì)算結(jié)果得出的僅是各截面的平均應(yīng)力，仍需要進(jìn)一步考慮截面圓角處的應(yīng)力集中情況，因此需要采用有限元方法精準(zhǔn)計(jì)算。

表3 次末級(jí)葉片葉根靜強(qiáng)度計(jì)算值

有限元方法計(jì)算得到的葉根應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 次末級(jí)葉片葉根應(yīng)力

從有限元模型中可以看到，最大應(yīng)力值為σmx=459.7 MPa(標(biāo)注MX處)，其余節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值明顯小于上述應(yīng)力值，其中裂紋起始點(diǎn)應(yīng)力為285.8 MPa。按第四強(qiáng)度理論進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，葉根應(yīng)力集中處的應(yīng)力許用值一般可取到屈服極限左右【3】。因此，葉片的最大應(yīng)力值仍遠(yuǎn)小于材料的屈服下限，其靜強(qiáng)度是足夠的。

通過(guò)葉片靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，可以得到應(yīng)力集中系數(shù)用于葉片動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算。選取疲勞裂紋源和最大應(yīng)力處的應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

具體如下：

α=σmx/σH

(4)

αmx=σmx/σH=459.7/157.5=2.9

其中裂紋起始點(diǎn)

α=σ/σH=285.8/157.5=1.8

式中：α——應(yīng)力集中系數(shù)；

αmx——應(yīng)力集中系數(shù)最大值；

σH——名義應(yīng)力，取表3中A-A截面的拉應(yīng)力值，MPa。

通常計(jì)算葉片動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，型線底部圓角處的應(yīng)力集中系數(shù)取α≤1.3。由此可見(jiàn)，葉根內(nèi)弧側(cè)的過(guò)渡圓角區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)明顯偏高，應(yīng)是造成機(jī)組運(yùn)行中葉片于葉根處斷裂的主要原因。

3 結(jié)論

該型號(hào)的汽輪機(jī)多次出現(xiàn)葉片斷裂的問(wèn)題，影響了機(jī)組的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。通過(guò)對(duì)其頻繁斷裂的成因進(jìn)行細(xì)致分析，找到了葉片斷裂的根本原因，并就此提出了幾點(diǎn)論據(jù)和改進(jìn)建議。

1) 葉片斷裂的直接原因是振動(dòng)疲勞，葉片的材質(zhì)分析和斷口失效分析可以佐證這一點(diǎn)。

2) 進(jìn)汽邊內(nèi)弧側(cè)葉根A-A截面的圓角處存在明顯的應(yīng)力集中，再加上葉片自身一階切向振動(dòng)的屬性，是造成裂紋源出現(xiàn)的主要原因。為了降低此處的應(yīng)力集中，可以對(duì)葉根位置進(jìn)行調(diào)整，增大圓角r值，提高安全系數(shù)和動(dòng)應(yīng)力條件下的承載能力。

3) 機(jī)組運(yùn)行時(shí)，葉片長(zhǎng)期微振會(huì)使裂紋逐步延展。該發(fā)電機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，運(yùn)行期間不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振動(dòng)應(yīng)力不大，因此裂紋的延展較慢，直到機(jī)組運(yùn)行5年后才出現(xiàn)葉片斷裂的問(wèn)題。同時(shí)，因?yàn)槿~根的靜應(yīng)力水平不高，所以疲勞裂紋延展到約占整個(gè)斷面面積的 70%時(shí)，葉片才因離心力的作用被快速拉斷。在機(jī)組啟停期間，操作上應(yīng)快速通過(guò)2 200 r/min和2 700 r/min區(qū)域，避免共振影響。

4) 外包雙倒T形葉片的加工精度要求很高。實(shí)際使用中，葉片上、下葉根內(nèi)背弧側(cè)面較難做到完全貼合，汽流波動(dòng)時(shí)容易造成葉根微振疲勞?？梢詫⑷~根型式由雙倒T形改為棕樹(shù)形，減少加工難度。

5) 將次末級(jí)葉片的自由葉片改進(jìn)為成組拉金或圍帶結(jié)構(gòu)，從而改變?nèi)~片的頻率特性和應(yīng)力狀態(tài)，提高葉片的安全倍率值，也是一個(gè)行之有效的方法。