某電廠汽輪機低壓缸隔板斷裂失效原因分析

劉金狀

（廣州粵能電力科技開發有限公司，廣東廣州 510080）

某電廠汽輪機低壓缸隔板斷裂失效原因分析

劉金狀

（廣州粵能電力科技開發有限公司，廣東廣州 510080）

對某火力發電廠斷裂的汽輪機組鑄鐵隔板進行了金相組織觀察、硬度測試和機械結構分析。結果表明隔板的斷裂主要是結構設計不合理引起的應力集中造成的。同時，對該鑄件的焊接修復提出了合理化建議。

汽輪機；灰鑄鐵；隔板；斷裂

火力發電在我國當前的電力結構中起著重要作用。汽輪機作為火力發電廠三大主機之一，其部件設備的安全可靠性直接影響到電源側的安全性。隔板作為汽輪機的一個重要部件，用于固定靜葉片和阻止級間漏汽，它將汽輪機內部分隔為若干壓力段，使高速流動的蒸汽汽流以特定方向流入動葉，從而起到導流蒸汽的作用。因此，隔板須有較高的強度和剛度，較好的嚴密性。按照成型工藝的不同，隔板分為焊接隔板和鑄造隔板兩種結構。焊接隔板強度較好，常用于中、高參數汽輪機。鑄造隔板由于加工比較容易，制造成本低，在中、低參數汽輪機上仍有較多應用。但隨著汽輪機型號更新換代加速，用于汽輪機維護的同型號鑄鐵隔板備件有時難以及時得到，因此鑄鐵隔板的焊接修復技術研究仍具有一定意義。

圖1 #1隔板在螺孔附近沿45°裂開

某火力發電廠135MW機組采用上海汽輪機廠生產的N135-13.24/535/535型汽輪機。該汽輪機組為超高壓、中間再熱、雙排汽單軸布置的沖動凝汽式機組，低壓缸為徑向擴壓雙排汽結構，低壓轉子為雙流共12級，左右各6級。隔板全部采用變截面葉型，采用鑄造隔板，隔板與內缸之間用Z型懸掛銷的中分面支承方式[1]。在某次檢修中，發現該廠汽輪機低壓缸的兩塊鑄造上隔板斷裂，分別為“左旋第6級”隔板（以下簡稱#1隔板）和“右旋第6級”隔板（以下簡稱#2隔板）。#1隔板斷裂在中分面螺孔附近，斷口呈現粗晶狀，被表面的黑色氧化物覆蓋（見圖1）；#2隔板斷裂于定位孔邊緣最薄處（見圖2）。每片隔板在工作時都承受較大的汽流沖力，螺栓等靜定約束力減少會導致振幅增大，影響隔板密封性和汽流導向性。

圖2 #2隔板在定位孔邊緣裂開

1 相關標準要求

經查閱設備技術資料，該汽輪機組制造于2001年，兩隔板均采用灰鑄鐵HT250鑄造，HT250牌號鑄件彼時適用國家標準GB9439-88《灰鑄鐵件》。依據該標準，該牌號鑄件上的布氏硬度值不超過HBW230～280。鑄件硬度與強度之間存在一定的經驗關系，可由布氏硬度值（HBW）和相對硬度（RH）計算該隔板的抗拉強度[2]：

鑄造隔板的金相組織評定適用于彼時國家標準GB7216-87《灰鑄鐵金相》。灰鑄鐵HT250金相組織多為細珠光體和較細片石墨，具有強度較低、塑性較差的特點。由于石墨片硬度很低、片層很薄，具有切斷組織基體的作用，影響到了珠光體組織的連續性，從而導致鑄件整體強度大幅降低。石墨的高熔點、良好導熱性以及鑄鐵件的多孔結構，致使鑄鐵件對焊接冷卻速度十分敏感，鑄鐵焊補對預熱和變形控制都有較高要求。要提高焊補部位的強度，適宜采用一些工藝成熟的鑄鐵專用焊條[3]。連接斷開的灰鑄鐵隔板，一般應制定完備的修復工藝使變形降到最低，同時采用特定的結構設計避開應力集中區的影響，從而獲得更好的焊接強度。

按照GB9439-88《灰鑄鐵件》要求，HT250牌號隔板鑄鐵件的化學成分如表1所列。

表1 灰鑄鐵HT250的化學成分(質量分數)

2 取樣實驗結果

2.1 金相分析

從隔板斷塊上根據金相分析要求取樣。該斷塊成尖錐狀，長約20 cm。采用金相切割機橫向切出一長方試塊，再剖分為兩個試樣，見圖3。對俯視圖可見側表面進行金相組織分析。浸蝕過的試樣用于檢查石墨形態，未浸蝕過的試樣用于檢查基體金屬。

圖3 金相分析取樣位置示意圖

100倍光學顯微鏡下觀察到的無浸蝕試樣中的石墨分布呈片狀均勻分布（圖4、圖5），屬于常見的石墨分布形態，符合技術要求。對基體組織形態的觀察在500倍光鏡下進行，兩試樣的基體組織均為片狀珠光體組織，碳化物和鐵素體呈片狀分布于石墨片圍成的區域內，整齊有序。珠光體片位向呈現多樣性，為間距小于1 mm的細片。在更高倍數的光鏡下觀察珠光體基體與石墨結合部位，未見微裂紋等缺陷，所能見到的碳化物和磷共晶都很少。針片狀碳化物分布數量為1級，僅在少數區域出現。

圖4 ＃1試樣石墨形態（100×）

圖5 ＃2試樣石墨形態（100×）

圖6 ＃1試樣基體（500×）

圖7 ＃2試樣基體（500×）

根據相關標準[4]，該試樣的金相分析結果如表2所示。

2.2 硬度測試

按照相關技術標準，對隔板進行布氏硬度值測試。結果如表3。

3 分析與討論

汽輪機隔板由于結構復雜、加工精度要求較高，早期的汽輪機組隔板多采用鑄造工藝以獲得良好的經濟性和加工性能。但是灰鑄鐵固有的塑性差、強度低、焊接性差等缺點極大地限制了鑄鐵件的使用范圍。隨著機組向中、高參數發展，鑄鐵隔板呈現被焊接隔板取代的趨勢，可用的鑄鐵隔板備品越來越少。在缺少備品的情況下及時完成在用設備的維護，焊接修復成為唯一選擇。

表2 灰鑄鐵金相檢查結果匯總

表3 鑄鐵隔板硬度/HBW

圖8 兩隔板開裂位置示意圖

隔板靜葉片在進行汽流導向作用時，直接承受汽流沖擊力和震動作用，并將這種作用力傳遞到隔板之上。隔板的薄弱部位若存在裂紋源，則很易造成裂紋擴展，從而斷裂。因此，隔板在設計時必須考慮到結構對應力分布和強度的影響。對于運行中的隔板，可以通過改變連接焊縫的位置使焊接區域避開應力集中區域。比如，將整個定位孔區域切掉，代之以帶定位孔的鑄鋼部件，然后采用焊接連接。既可以充分利用鑄鋼件強度，又能使變截面等常見應力集中部位避開應力集中區。實際上，這兩個斷裂隔板即是采用如此方法修復的，效果較好[1]。此外，國內已有一些鑄鐵成功修復隔板的案例[5]。

裂紋形成原因往往很多，但是應力集中處較易成為裂紋源。隔板耳板外側角的“R”處有一尖角，易成為裂紋源。蒸汽的進入能使裂紋擴展，同時使裂紋兩側基體金屬氧化變色。#2隔板定位孔邊緣壁厚偏薄，強度不足，屬于鑄造工藝過程中造成的缺陷。

4 結論

隔板金相組織形態正常。基體為單一的珠光體片狀組織，片間距2級；石墨均勻分布，石長1.5，長度8級；少量磷共晶體呈孤立的塊狀，1級；碳化物為針片狀，1級。

隔板布氏硬度值測定結果表明隔板硬度正常。可根據強度和布氏硬度值的關系計算隔板強度。

#1隔板斷裂與外側角的“R”型處尖角有關，#2隔板斷裂與定位孔邊緣薄壁有關。因此，修復完全斷裂的灰鑄鐵隔板，應制定完備的修復工藝將變形降到最低，以獲得更好的焊接強度。同時，合理設計部件結構，使焊縫區域避開應力集中區域，可避免類同缺陷的產生。

［1］戴奕慧.某汽輪機鑄鐵隔板螺栓孔開裂修復案例研究［J］.中國新技術新產品，2013（07）（下）：108.

［2］GB9439-88.灰鑄鐵件［S］.

［3］于德洋.淺談國內鑄鐵件焊接工藝［J］.鑄造，1997（07）：50-52.

［4］GB7216-87.灰鑄鐵金相檢驗［S］.

［5］郭大輝，鄭雙武.汽輪機灰口鑄鐵隔板斷裂焊接修復實踐［J］.華中電力，1995（4）：48-50.

Failure Analysis for Diaphragm Fracture of LP Cylinder of Steam Turbine in a Power Plant

LIU Jin-zhuang
（Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co.，Ltd.，Guangzhou510080，China）

The fracture of a gray cast-iron diaphragm in LP cylinder of steam turbine in a power plant was analyzed by means of metallographic test，hardness test and structure analysis.The results suggest that it is normal for microstructure or hardness.Fracture is mainly caused by the stress concentration due to unreasonable structural design.Meanwhile，the proposal for repair welding of gray cast iron diaphragm is put forward.

steam turbine；gray cast iron；diaphragm；fracture

TM621

A

1009－9492(2014)08－0157－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.045

劉金狀，男，1975年生，山東人，碩士，工程師。研究領域：電站金屬部件的失效分析與預防、金屬部件無損檢測、承壓設備檢驗等。 (編輯：王智圣)

2014－07－28