給水泵汽輪機動葉片斷裂失效分析

張 強,王占文,方 旭,丁 俊,李云飛

(華潤電力(滄州運東)有限公司,河北 滄州 061000)

給水泵汽輪機是電廠重要輔機的主要部件之一,在機組中占有重要地位,尤其是單臺全容量配置,其可靠性直接影響著整個電廠的安全穩(wěn)定運行。汽輪機葉片由于工況條件復(fù)雜、運行環(huán)境惡劣,葉片故障時有發(fā)生,嚴重影響設(shè)備安全,其中又以斷裂故障尤為嚴重[1]。因此,對葉片進行斷裂原因分析,為避免該類事故具有參考意義。

某電廠給水泵汽輪機動葉片發(fā)生斷裂,在新投產(chǎn)電廠中是較少見的設(shè)備損壞事故,本文介紹了失效原因分析,提出處理措施和建議,為同類型故障分析工作提供參考。

1 故障概況

某機組為350 MW超臨界燃煤供熱機組,配置單臺汽動給水泵。給水泵為HPT350- 370 M-6S/29型多級離心泵;給水泵汽輪機為單缸、沖動、單流、純凝汽式汽輪機。給水泵汽輪機轉(zhuǎn)子為無中心孔整鍛轉(zhuǎn)子,材料為高強度合金鋼;動葉片全部采用不調(diào)頻葉片,第1—3級葉身為直葉片,葉根形式為外包雙菌型,葉頂形式為鉚接圍帶。第3級動葉片材料為1Cr12Ni2 W1 Mo1V,對應(yīng)GB/T 8732—2014《汽輪機葉片用鋼》中新牌號為14Cr12Ni2 WMo V。

2020年5月,給水泵汽輪機出現(xiàn)振動突增進而跳機的現(xiàn)象,為了排除暖機不充分等故障原因,進行了升速試驗。試驗過程中,由于振動增長過快而停機。揭缸檢查發(fā)現(xiàn),給水泵汽輪機第3級1根動葉片斷裂。

該給水泵汽輪機自2019年11月調(diào)試至動葉片斷裂,累計運行2 028 h。給水泵汽輪機轉(zhuǎn)子返廠更換新葉片,轉(zhuǎn)子動平衡合格后回裝,試運良好。因給水泵組配置為單臺全容量泵組,一旦給水泵組發(fā)生任何問題,均造成機組非停。為查明該給水泵汽輪機第3級動葉片斷裂的本質(zhì)原因,對損壞進行了斷裂失效分析。

2 斷裂原因分析

給水泵汽輪機揭缸后發(fā)現(xiàn)第3級葉片中(共106片)的封口片組(5片)的逆時針方向(從進汽側(cè)看)最邊上一片葉片齊根斷裂,留存該斷裂葉片(樣品編號1)、抽查同批次葉片(樣品編號2),經(jīng)宏觀分析后,出汽側(cè)葉根與葉身形線間過渡處的圓滑過渡設(shè)計(樣品編號3)。對樣品1、2、3分別取樣,進行宏觀檢查、化學(xué)成分、金相分析、力學(xué)性能分析等斷裂失效分析[23]。

2.1 宏觀形貌與掃描電鏡分析

3個樣品的宏觀形貌見圖1。由圖1可知,1號樣品在緊鄰葉根處斷裂及葉身碰磨變形嚴重。

將1號樣品斷口和斷裂源區(qū)對應(yīng)的表面形貌進行掃描電鏡觀察,見圖2。

圖2 斷裂樣品斷面形貌及電鏡觀察

宏觀下,斷面包括源區(qū)、擴展區(qū)和終斷區(qū)。源區(qū)為點源,位于出汽側(cè)葉根與葉身形線結(jié)合過渡處表面的機加工痕跡底部,該表面存在較粗糙的機加工痕跡,未見腐蝕坑及腐蝕產(chǎn)物等形貌。擴展區(qū)面積較大,約占總斷面的95%,可見明顯疲勞弧線和疲勞條帶,其中源區(qū)附近的擴展區(qū)可見收斂于源區(qū)的疲勞條帶,進一步印證了源區(qū)的位置;擴展區(qū)斷面明顯存在不同氧化色構(gòu)成的疲勞弧線,這反映了溫度波動在斷面上留下的痕跡。終斷區(qū)位于背弧面,面積較小,約占總斷面的5%,表明引起樣品斷裂的靜應(yīng)力較小;斷口較粗糙,起伏較大,微觀形貌為韌窩。

將2號和3號樣品葉根與葉身形線間過渡處表面(簡稱“過渡面”)進行宏觀形貌和掃描電鏡觀察,見圖3、圖4。

圖3 2號樣品過渡面宏觀形貌和掃描電鏡觀察

圖4 3號樣品過渡面宏觀形貌和掃描電鏡觀察

2號和3號2個樣品的過渡面均較粗糙,宏觀下明顯可見有規(guī)則波狀起伏的較粗糙的機加工痕跡,微觀下可見微小線性等缺陷。樣品過渡面存在為了增大圓弧半徑而進行的二次加工的痕跡,與葉根表面未圓滑相切,形成了圓弧半徑不同的2個過渡面。

在2號、3號2個樣品的過渡面處垂直過渡面各制取1個縱向試樣(編號2-1和3-1),在OLY MPUS GX71金相顯微鏡下進行過渡面的圓弧半徑測量,2號樣品過渡面的圓弧半徑為1.22 mm,3號樣品過渡面的2次加工形成的2個圓弧半徑分別為0.35 mm和2.79 mm,見圖5。

圖5 過渡面的圓弧半徑形貌及測量結(jié)果

2.2 化學(xué)成分分析

對1號(1號和2號樣品為同一批次,檢測1號樣)和3號樣品取樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。由表1可知,樣品的化學(xué)成分符合要求[1]。

表1 樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3 金相分析

在1號、2號、3號3個樣品上各取1個縱向和1個橫向金相試樣,在OLY MPUS GX71金相顯微鏡下進行金相組織觀察,按照GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行晶粒度評級,由圖6可見,3個樣品的顯微組織均為回火馬氏體,無δ-鐵素體,晶粒度為5-6級,δ-鐵素體含量和晶粒度均符合GB/T 8732-2014的要求,顯微組織未見異常[2]。

圖6 樣品的顯微組織形貌

從3個縱向金相試樣按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯示數(shù)檢驗法》進行非金屬夾雜物檢驗,可見縱向金相試樣的非金屬夾雜物含量中的A、B、C、D類均＜0.5級,符合GB/T 8732-2014的要求。

從2號、3號樣品過渡面(1號樣品已斷裂,無法取過渡面試樣,1號和2號為同一批次產(chǎn)品,故取2號樣品過渡面)的縱向試樣在OLY MPUS GX71金相顯微鏡下進行金相觀察,圖7可知,2個樣品的過渡面較粗糙,有多個小凹坑。

圖7 樣品過渡面金相組織

2.4 硬度試驗

按照GB/T 4340.1采用FM-700型維氏硬度計對斷面過渡面縱向金相試樣進行顯微維氏硬度試驗,試驗力100 gf,保持時間15 s,見表2。由表2可見,樣品斷裂源區(qū)及擴展區(qū)附近和過渡面附近的顯微硬度符合標準的要求。

表2 顯微維氏硬度試驗結(jié)果 HV0.1

2.5 力學(xué)性能試驗

在3個樣品葉身上制取Φ4 mm的非標拉伸試樣、55×10×7.5 mm的沖擊試樣和硬度試樣,分別按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》、GB/T 229-2020《金屬材料 復(fù)比擺錘沖擊試驗方法》和GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》進行試驗,結(jié)果見表3。

由表3可知。3個樣品的室溫規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、沖擊吸收能量和維氏硬度均符合GB/T 8732-2014的要求。

表3 拉伸、沖擊和維氏硬度試驗結(jié)果(室溫)

2.6 綜合分析

1號樣品的斷裂性質(zhì)屬于高周疲勞斷裂,起源于出汽側(cè)葉根與葉身形線間過渡處表面的較粗糙機加工痕跡底部。1號斷裂樣品與2個對比樣品的過渡面均較粗糙,宏觀下明顯可見有規(guī)則波狀起伏的較粗糙的機加工痕跡,微觀下可見微小線性等缺陷,且3號新樣品的過渡面存在為了增大圓弧半徑而進行的二次加工痕跡,與葉根表面未圓滑相切,形成了圓弧半徑不同的2個過渡面。1號斷裂樣品由于碰磨變形嚴重而無法測量過渡面的圓弧半徑,2號、3號2個對比樣品過渡面的圓弧半徑偏小且差異大。

3個樣品的出汽側(cè)葉根與葉身形線間過渡處的加工質(zhì)量欠佳,存在機加工痕跡較粗糙和圓弧半徑間差異大等現(xiàn)象。由于樣品的出汽側(cè)葉根與葉身形線間的過渡處為幾何形狀突變結(jié)構(gòu),樣品在運行過程中的最大離心力位于該部位,見圖8,該部位存在的較粗糙機加工痕跡且圓弧半徑偏小會加劇該部位的應(yīng)力集中程度,進一步提高了該部位的應(yīng)力水平,最終發(fā)生疲勞斷裂[3-5]。

圖8 過渡面的離心應(yīng)力分布

3 處理措施及效果

給水泵汽輪機停運后的宏觀檢查和停運前波德圖趨勢分析,對汽輪機組揭缸檢查,發(fā)現(xiàn)第3級的一片葉片斷裂,與生產(chǎn)廠家溝通后,轉(zhuǎn)子返廠更換第三級全部葉片。

廠家在葉片加工前,對第三級動葉片根槽與葉身出汽側(cè)過渡面進行圓滑優(yōu)化,增加支撐斜臺,增大圓角,減小應(yīng)力集中,見圖9。

圖9 葉片過渡面優(yōu)化前后對比

轉(zhuǎn)子更換新葉片后,經(jīng)動平衡試驗后回裝,經(jīng)過啟動前相關(guān)試驗后正常。在機組檢修時,對該級葉片進行宏觀和無損檢測,未發(fā)現(xiàn)異常。

4 結(jié)束語

給水泵汽輪機第3級動葉片3號樣品的斷裂性質(zhì)屬于高周疲勞斷裂,起源于出汽側(cè)葉根與葉身形線間過渡處表面的較粗糙機加工痕跡底部,引起葉片斷裂的主要原因與出汽側(cè)葉根與葉身形線間過渡處的加工質(zhì)量欠佳有關(guān),葉片在運行中的離心力及振動應(yīng)力等的作用下,在較粗糙機加工痕跡底部逐漸萌生疲勞裂紋,并不斷擴展,直至瞬間斷裂。

根據(jù)葉片失效原因分析,建議重要輔機的主要部件選擇優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商,進行設(shè)備監(jiān)造管理。因葉片設(shè)計是生產(chǎn)廠家的重要技術(shù),可要求廠家提供評估報告,以提高主要部件的可靠性。