300 MW亞臨界機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子開裂失效分析

李海生

(大唐武安發(fā)電有限公司,河北 邯鄲 056303)

1 概述

某電廠300 MW亞臨界機(jī)組汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠在引進(jìn)吸收、消化西屋技術(shù)上生產(chǎn)的CZK300-16.67/0.4(0.343)/538/538型中間再熱空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī),高中壓部分采用合缸反流結(jié)構(gòu),高中壓轉(zhuǎn)子為單軸國(guó)產(chǎn)整體鍛件無中心孔合金(30Cr1Mo1V)轉(zhuǎn)子。高壓部分由一級(jí)單列沖動(dòng)式調(diào)節(jié)級(jí)和十一級(jí)反動(dòng)式壓力級(jí)組成。機(jī)組運(yùn)行過程中負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),介質(zhì)通過調(diào)速級(jí)后,介質(zhì)溫度變化較大且蒸汽溫度隨負(fù)荷的變化而變化[1]。從而在第一壓力級(jí)處溫度梯度大,產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較大。在設(shè)計(jì)時(shí)為了避免過大的熱應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)子的損傷,在調(diào)速級(jí)后、壓力級(jí)第一級(jí)前設(shè)計(jì)一條寬38 mm、深66 mm應(yīng)力釋放槽,為轉(zhuǎn)子本體的最薄弱處。

2019年7月機(jī)組檢修啟動(dòng)后,1號(hào)軸瓦和2號(hào)軸瓦軸振振幅一直增加,且振幅對(duì)主蒸汽溫度變化敏感,同時(shí)二倍頻振動(dòng)隨之增大,初步判斷轉(zhuǎn)子存在裂紋,申請(qǐng)停機(jī)檢修。揭缸后對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行表面檢驗(yàn)和超聲波檢測(cè),發(fā)現(xiàn)應(yīng)力釋放槽底部存在裂紋(見圖1),環(huán)向裂紋長(zhǎng)度1 573 mm,約占轉(zhuǎn)子周長(zhǎng)的4/5,最大深度194 mm。機(jī)組于2012年11月投產(chǎn),截止到本次發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為45 490 h。

圖1 應(yīng)力釋放槽底部裂紋

為了分析失效原因,解剖后通過斷口分析、理化性能試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)測(cè)和應(yīng)力模似計(jì)算等工作,分別從材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力水平等方面分析造成轉(zhuǎn)子早期失效的原因。

2 理化性能試驗(yàn)

2.1 斷口分析

對(duì)斷口解剖后,通過對(duì)開裂部位宏觀斷口分析及顯微鏡觀察分析判定裂紋的性質(zhì)。

2.1.1 斷口宏觀特征分析

對(duì)應(yīng)力釋放槽剖面觀察,應(yīng)力釋放槽內(nèi)部加工質(zhì)量較為粗糙,槽底部圓弧過渡不夠光滑,裂紋位于應(yīng)力釋放槽底的壓力級(jí)一側(cè)過渡處。解剖后打開斷面觀察斷口(見圖2),斷口表面較為平整,呈灰色,可見明顯貝紋線,從顏色和貝紋線的分布上看,斷口可以分為2個(gè)區(qū)域,一個(gè)區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)子外表面和斷口中心完整的弓形疲勞包絡(luò)線組成,另一個(gè)區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)子表面局部區(qū)域和2條疲勞擴(kuò)展包絡(luò)線組成。

圖2 斷口疲勞裂紋形貌

從斷口顏色上看,裂紋表面已經(jīng)形成高溫氧化層,斷面上灰白色區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展中新形成的斷口,轉(zhuǎn)子裂紋為服役過程中形成。

從貝紋線的形態(tài)和分布上看,開裂機(jī)制為疲勞開裂,疲勞源萌生于轉(zhuǎn)子外表面,為多裂紋源開裂,內(nèi)部未見疲勞源。

疲勞裂紋從表面萌生后,沿表面周向快速擴(kuò)展和徑向擴(kuò)展,形成月牙形裂紋。裂紋形成后應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,裂紋表現(xiàn)為在彎曲應(yīng)力下的擴(kuò)展,形成向內(nèi)直接平行的擴(kuò)展紋路,即疲勞擴(kuò)展第一階段。由于裂紋較深,軸承處軸頸與軸瓦平行度受到影響,引起振動(dòng)增加,同時(shí)扭轉(zhuǎn)力發(fā)生作用,裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),形成疲勞擴(kuò)展第二階段。

2.1.2 體視顯微鏡觀察分析

對(duì)斷口典型位置進(jìn)行切割取樣,然后采用VH-1000體視顯微鏡對(duì)斷口宏觀形貌觀察,斷口宏觀上沒有明顯的塑性變形特征,斷面均呈灰藍(lán)色,有明顯的氧化,取樣斷口上有典型的多源貝殼花樣狀疲勞弧線,斷口為從表面萌生的多源起裂。

2.2 金相組織檢查

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級(jí)倒置萬能金相顯微鏡,對(duì)斷口橫截面、側(cè)面、應(yīng)力釋放槽裂紋處進(jìn)行金相組織檢查,見圖3－5。

圖3 斷口橫截面金相組織

從圖3可以看出,斷口橫截面金相組織為回火貝氏體,組織正常,晶粒度均不低于2級(jí),滿足JB/T 7027—2014《300 MW以上汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件 技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。從圖4可以看出,斷口表層取樣未見脫碳層、淬硬層等異常組織,表面加工良好,未見凹坑等缺陷。從圖5可以看出裂紋位于U型槽底部,所觀察段穿晶擴(kuò)展,開口較小,裂紋已氧化,裂紋附近組織為回火貝氏體,組織狀態(tài)正常。

圖4 斷口側(cè)面金相組織

圖5 U型槽表面金相檢驗(yàn)照片

2.3 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)斷口附近和遠(yuǎn)離斷口處的縱截面進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)[3],結(jié)果見表1。非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果表明:各取樣位置的非金屬夾雜物等級(jí)均不超過2.5級(jí),滿足JB/T 7027—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 化學(xué)成分分析

從轉(zhuǎn)子本體內(nèi)側(cè)與外側(cè)進(jìn)行化學(xué)成分分析,檢測(cè)結(jié)果見表2。本體內(nèi)側(cè)C含量為0.22%,低于JB/T 8707—2014《300 MW以上汽輪機(jī)無中心孔轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》中C含量規(guī)定下限0.27%[4],其余位置測(cè)試結(jié)果均符合JB/T 8707—2014的要求。

表2 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

2.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.5.1 硬度試驗(yàn)

布氏硬度檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》對(duì)斷口附近和遠(yuǎn)離斷口處的金相檢驗(yàn)面進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)[5],檢驗(yàn)結(jié)果見表3。布氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明,各位置取樣的硬度差值不大于30,各位置的硬度值較為均勻,滿足JB/T 8707—2014標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)硬度均勻性的要求。

表3 布氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果

2.5.2 拉伸試驗(yàn)

在轉(zhuǎn)子裂紋附近和遠(yuǎn)離裂紋處分別取徑向拉伸試樣,拉伸試樣采用Ф12.5 mm拉伸試棒。依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第2部分:高溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫和538℃工作溫度拉伸試驗(yàn)[6-7],拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。

表4 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表4和表5可以看出,轉(zhuǎn)子近斷口處和遠(yuǎn)離斷口處的試驗(yàn)結(jié)果均滿足JB/T 8707—2014標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)30Cr1Mo1V鋼的相關(guān)要求。

2.5.3 室溫沖擊試驗(yàn)和FATT試驗(yàn)

在轉(zhuǎn)子裂紋附近和遠(yuǎn)離裂紋處分別取本體徑向沖擊試樣,采用10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口試樣,依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[8],沖擊結(jié)果見表6和表7。

表6 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表7 FATT50試驗(yàn)結(jié)果

從表6和表7可以看出:轉(zhuǎn)子的沖擊吸收能量不滿足JB/T 8707—2014要求,而FATT50滿足JB/T 8707—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量及應(yīng)力核算

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量

對(duì)應(yīng)力釋放槽觀察,槽底部圓弧過渡不夠光滑,解剖后通過激光3D掃描儀,對(duì)應(yīng)力釋放槽尺寸進(jìn)行精確測(cè)量(測(cè)量精度0.04 mm),經(jīng)過三維重建,獲得應(yīng)力釋放槽部位整體3D形貌(見圖6)。通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)應(yīng)力釋放槽底部尺寸為R29 mm、R9.1 mm兩段圓弧過渡＋槽底5.64 mm平底組成(見圖7),與原設(shè)計(jì)應(yīng)力釋放槽底部為R19 mm半圓弧存在明顯加工差異。

圖6 激光3D測(cè)量獲得的應(yīng)力釋放槽形貌

圖7 應(yīng)力釋放槽實(shí)際尺寸(單位:mm)

根據(jù)《應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)》,計(jì)算得到不同R角的環(huán)形槽的應(yīng)力集中系數(shù)(見表8)。從表8可以看出由于加工差異導(dǎo)致拉伸狀態(tài)應(yīng)力系數(shù)增大39.39%。

表8 環(huán)形槽應(yīng)力集中系數(shù)

3.2 應(yīng)力核算

根據(jù)轉(zhuǎn)子總圖以及應(yīng)力釋放槽真實(shí)尺寸型線,利用NXUG建立高中壓轉(zhuǎn)子模型。核算過程中,應(yīng)力釋放槽按照設(shè)計(jì)尺寸和實(shí)測(cè)尺寸分別建模進(jìn)行校核計(jì)算。工況依據(jù)廠家提供機(jī)組啟動(dòng)曲線和熱力性能數(shù)進(jìn)行核算。根據(jù)上述數(shù)據(jù),對(duì)機(jī)組啟停時(shí)間、溫度和換熱邊界條件進(jìn)行綜合分析,并加載到轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行核算。轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力位于進(jìn)汽側(cè)R9.10 mm圓弧與槽底5.64 mm水平段相交位置,最大應(yīng)力值已超過材料的屈服強(qiáng)度。轉(zhuǎn)子裂紋萌生擴(kuò)展位于最大應(yīng)力處,最大應(yīng)力與開裂位置一致。

通過瞬態(tài)有限元計(jì)算求解可得轉(zhuǎn)子在啟停機(jī)歷程中各個(gè)時(shí)刻的溫度分布情況,在啟停機(jī)過程中,轉(zhuǎn)子在溫高壓蒸汽的熱沖擊作用下,調(diào)節(jié)級(jí)后存在較大的溫度梯度,會(huì)導(dǎo)致較大熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

以設(shè)計(jì)尺寸和設(shè)計(jì)啟動(dòng)曲線為基準(zhǔn),當(dāng)應(yīng)力釋放槽尺寸變?yōu)閷?shí)測(cè)尺寸時(shí),冷啟動(dòng)壽命損耗值提高了94%,對(duì)轉(zhuǎn)子壽命產(chǎn)生較大影響。

3.3 同類型其它高中壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力釋放槽檢查情況

該高中壓轉(zhuǎn)子失效后,利用檢修期間先后對(duì)同類型同期投產(chǎn)的其他2臺(tái)機(jī)組的高中壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力釋放槽的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行檢查和超聲、表面無損檢驗(yàn)。應(yīng)力釋放槽底部采用按設(shè)計(jì)制作樣板實(shí)校結(jié)構(gòu)尺寸,均與設(shè)計(jì)尺寸基本相符。超聲和表面無損檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)表面裂紋缺陷,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。該同類型轉(zhuǎn)子截止到檢查前啟停次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行工況與開裂轉(zhuǎn)子相近。通過調(diào)研,制造廠家在后續(xù)同類型機(jī)組制造或通流改造時(shí)均取消該應(yīng)力釋放槽。

4 失效原因分析

4.1 從材料的理化性能分析

通過斷口觀察,開裂機(jī)制為轉(zhuǎn)子外表面萌生、多裂紋源的典型疲勞開裂。金相觀察組織正常,無損檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)制造內(nèi)部缺陷,化學(xué)成分分析本體內(nèi)部碳含量低于標(biāo)準(zhǔn)下限值,但拉伸力學(xué)性能均合格。沖擊吸收功略低于標(biāo)準(zhǔn)下限,通過查閱出廠資料,出廠時(shí)該轉(zhuǎn)子的沖擊吸收功為8/8/10J,已處于標(biāo)準(zhǔn)下限值,說明沖擊吸收功偏低、材料脆性大,在疲勞裂紋擴(kuò)展階段有一定的影響,但不是轉(zhuǎn)子開裂的原因。

4.2 從設(shè)計(jì)運(yùn)行工況應(yīng)力分析

汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子在高溫高壓下的過熱蒸汽中長(zhǎng)期工作,由于溫度高,其熱應(yīng)力大,尤其在機(jī)組啟停機(jī)時(shí),熱應(yīng)力變化較為復(fù)雜。機(jī)組啟動(dòng)和增加負(fù)荷時(shí),轉(zhuǎn)子外表面會(huì)產(chǎn)生熱壓應(yīng)力,在停機(jī)和減負(fù)荷時(shí),轉(zhuǎn)子外表面受熱拉應(yīng)力,高中壓轉(zhuǎn)子在機(jī)組啟停、增減負(fù)荷過程進(jìn)行熱應(yīng)力交變循環(huán)。通過溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力核算可以看出,在轉(zhuǎn)子的調(diào)速級(jí)后、壓力第一級(jí)前溫度變化最大,在應(yīng)力釋放槽的應(yīng)力集中作用下,使得應(yīng)力釋放槽底部為最大應(yīng)力位置,因此本次失效位置發(fā)生在最大應(yīng)力位置。

4.3 從結(jié)構(gòu)與應(yīng)力計(jì)算分析

由于轉(zhuǎn)子在機(jī)加工過程中應(yīng)力釋放槽過渡圓角嚴(yán)重偏離了設(shè)計(jì)值,從而加劇了該部件的應(yīng)力集中,使得該處應(yīng)力峰值超過了材料的疲勞強(qiáng)度。通過計(jì)算可以看出,以設(shè)計(jì)尺寸和設(shè)計(jì)啟動(dòng)曲線為基準(zhǔn),當(dāng)應(yīng)力釋放槽尺寸變?yōu)閷?shí)測(cè)尺寸時(shí),冷啟動(dòng)壽命損耗值提高了94%,使得機(jī)組允許冷啟動(dòng)次數(shù)減少。

在機(jī)組啟停和負(fù)荷變化時(shí),由于該處為應(yīng)力最大位置,且由于加工偏差使應(yīng)力集中系數(shù)增加,應(yīng)力峰值在于材料的疲勞強(qiáng)度,從而在外表面萌生多裂紋源,裂紋萌生后在載荷和旋轉(zhuǎn)離心力作用下,裂紋沿表面周向擴(kuò)展速率高于徑向擴(kuò)展速率,呈月牙形向轉(zhuǎn)子內(nèi)部擴(kuò)展。在裂紋擴(kuò)展到第一階段時(shí),由于轉(zhuǎn)子材料的強(qiáng)度降低,表現(xiàn)在軸振動(dòng)值增大。前次檢修認(rèn)為是軸發(fā)生了彎曲對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重,再次啟動(dòng)后冷態(tài)試驗(yàn)及并網(wǎng)運(yùn)行后振動(dòng)值不超標(biāo),后隨著負(fù)荷增大,應(yīng)力增加,且由于轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重使應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,疲勞裂紋的主要擴(kuò)展方向發(fā)生扭轉(zhuǎn),沿第一階段擴(kuò)展前沿和轉(zhuǎn)子表面開始第二階段疲勞擴(kuò)展,使振動(dòng)值超標(biāo),且停機(jī)過程發(fā)現(xiàn)2倍頻發(fā)生變化。

同類型轉(zhuǎn)子啟停次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行工況與開裂轉(zhuǎn)子相近,由于槽底部加工與設(shè)計(jì)相符而未發(fā)現(xiàn)裂紋,也可佐證加工偏差使應(yīng)力集中系數(shù)增大是造成開裂的主要原因,從后續(xù)制造廠家在同類型機(jī)組制造或通流改造時(shí)均取消該應(yīng)力釋放槽,佐證了該應(yīng)力槽在設(shè)計(jì)上存在安全裕度小的問題。

5 結(jié)論及建議

熱應(yīng)力值在轉(zhuǎn)子疲勞開裂過程中起著重要作用,機(jī)組運(yùn)行時(shí),如果溫度波動(dòng)大,造成的熱應(yīng)力越大,裂紋就容易萌生和擴(kuò)展。轉(zhuǎn)子應(yīng)力釋放槽底部裂紋失效形式為從表面萌生的多源起裂的疲勞裂紋。應(yīng)力釋放槽加工時(shí)偏離了設(shè)計(jì),加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象,在機(jī)組啟?；蜇?fù)荷變化時(shí),使交變應(yīng)力峰值超過了材料的疲勞強(qiáng)度是本次開裂失效的主要原因。對(duì)本次更換的新高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行金屬檢驗(yàn)和結(jié)構(gòu)尺寸檢查,檢驗(yàn)結(jié)果合格、應(yīng)力釋放槽尺寸符合圖紙要求,運(yùn)行后振動(dòng)值良好。

轉(zhuǎn)子一旦失效處理不當(dāng)會(huì)造成重大設(shè)備安全事故,給國(guó)家和人民造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,應(yīng)加強(qiáng)軸系振動(dòng)監(jiān)督和金屬檢驗(yàn)工作。對(duì)于同類型轉(zhuǎn)子,建議利用最近檢修時(shí)機(jī)對(duì)應(yīng)力釋放槽進(jìn)行金屬檢驗(yàn)和加工尺寸檢查,運(yùn)行時(shí)加強(qiáng)振動(dòng)監(jiān)督,必要時(shí)縮短檢驗(yàn)周期。轉(zhuǎn)子本體上開槽部件存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,檢修時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查過渡圓角,如存在加工偏差,應(yīng)采取必要措施和縮短檢驗(yàn)周期。隨著機(jī)組調(diào)峰的常態(tài)化,轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力交變頻次增大,因此在機(jī)組啟停、負(fù)荷變化時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制升降速率,減少轉(zhuǎn)子本體溫度梯度,減小交變熱應(yīng)力的峰值,避免轉(zhuǎn)子發(fā)生疲勞開裂事故。