汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理分析

　李海鵬

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理分析

李海鵬

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

汽輪機(jī)葉片的斷裂是在工作中經(jīng)常發(fā)生的故障，如果發(fā)生故障就會(huì)造成很嚴(yán)重的問(wèn)題，所以要改變這一現(xiàn)狀，對(duì)汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理進(jìn)行細(xì)致的分析，并且找到合適的防護(hù)措施來(lái)解決汽輪機(jī)在工作過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，從而一定程度上減少危險(xiǎn)的發(fā)生。

汽輪機(jī)葉片；斷裂機(jī)理；防護(hù)措施

汽輪機(jī)葉片是指汽輪機(jī)中對(duì)動(dòng)靜葉片用鋼的總稱，要求其要足夠的堅(jiān)韌，而且制作工藝要好。汽輪機(jī)葉片在工作的時(shí)候會(huì)受到高溫、高壓以及蒸汽的作用，而且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候也會(huì)承受相當(dāng)大的離心力，有些部位的葉片還會(huì)經(jīng)受一些化學(xué)腐蝕和水滴的沖飾，在這些外力的作用下，汽輪機(jī)就會(huì)很容易發(fā)生斷裂，所以對(duì)于對(duì)于汽輪機(jī)的斷裂機(jī)理研究是很有必要的，就要對(duì)汽輪機(jī)的斷裂機(jī)理進(jìn)行分析，并找到合適的防護(hù)的措施。

1　汽輪機(jī)葉片發(fā)生斷裂現(xiàn)象分析

汽輪機(jī)葉片斷裂的發(fā)生通常會(huì)伴隨著很多不同的現(xiàn)象，比較典型的表現(xiàn)主要有：（1）在汽輪機(jī)葉片發(fā)生斷裂的時(shí)候，汽輪機(jī)內(nèi)或者是凝汽器內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生一些突然的金屬撞擊的聲音；（2）機(jī)組的振動(dòng)幅度會(huì)突然的增大或者機(jī)組會(huì)突然的抖動(dòng)，軸向的位移會(huì)明顯地顯示增大或者有大幅度擺動(dòng)的現(xiàn)象；（3）在葉片的損壞比較多的時(shí)候，在同樣的負(fù)荷下蒸汽的流量會(huì)有所增加，同時(shí)監(jiān)視段的壓力也會(huì)有所上升；（4）發(fā)生了斷裂的葉片有可能會(huì)被排入到抽氣管道內(nèi)，從而發(fā)生逆止門卡澀的現(xiàn)象；（5）在停機(jī)惰走或者是在盤車的狀態(tài)下，能夠聽(tīng)到其中有金屬摩擦的聲響；（6）在汽輪機(jī)葉片發(fā)生斷裂時(shí)，有可能會(huì)引起軸瓦溫度和回油的溫度有一定的升高，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的平衡由于汽輪機(jī)葉片斷裂而遭到破壞所造成的，同時(shí)，推力瓦的溫度也會(huì)因此而上升。由此可見(jiàn)，汽輪機(jī)葉片斷裂現(xiàn)象直觀，也比較復(fù)雜，對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)合理的分析，才能保證安全。

2　汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理

汽輪機(jī)葉片斷裂與很多因素有關(guān)，具體表現(xiàn)在應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等方面。

2.1工作溫度對(duì)汽輪機(jī)葉片的影響

如圖1，在汽輪機(jī)葉片工作時(shí)，汽輪機(jī)葉片尤其是它的動(dòng)葉片，一般會(huì)處在相當(dāng)惡劣的環(huán)境中，在實(shí)際溫度和熱應(yīng)力的作用下經(jīng)常會(huì)受到電化學(xué)腐蝕和水滴的沖蝕，眾所周知，電化學(xué)腐蝕相對(duì)其他類型的腐蝕來(lái)說(shuō)可以說(shuō)是最嚴(yán)重的，所以汽輪機(jī)葉片也會(huì)因此而受到影響，甚至?xí)邪l(fā)生斷裂的情況發(fā)生。有時(shí)汽輪機(jī)葉片所處的工作環(huán)境的溫度很高，這對(duì)于汽輪機(jī)葉片也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。汽輪機(jī)的每一級(jí)的葉片在工作的時(shí)候的溫度都不一樣，其中，第一級(jí)的葉片所處的溫度通常都是極高的，之后的每一級(jí)的葉片的溫度都會(huì)逐漸降低，直到最后一級(jí)溫度最低，在最后一級(jí)葉片中存在一些游離的水分子，這些游離的水分子會(huì)經(jīng)過(guò)冷凝結(jié)合形成水滴，之后會(huì)沖擊汽輪機(jī)的動(dòng)葉片，從而造成水沖蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1　汽輪機(jī)所受實(shí)際溫度和熱應(yīng)力作用圖

2.2應(yīng)力狀態(tài)對(duì)汽輪機(jī)葉片的影響

圖2為汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子受力分析圖。可以看出，轉(zhuǎn)子y方向向下所受到的汽流力為：Fqy=by+dy-ay-cy，當(dāng)機(jī)組采用單閥進(jìn)汽時(shí)，四個(gè)高調(diào)閥的進(jìn)汽開(kāi)度是一致的，因此轉(zhuǎn)子y方向向下所受到的汽流力（by+dy）與y方向向上所受到的汽流力（ay+cy）應(yīng)該處于平衡狀態(tài)，理論上Fqy=0，若出現(xiàn)汽輪機(jī)左側(cè)進(jìn)汽流量小于右側(cè)進(jìn)汽流量的情況時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子左右側(cè)所收到的蒸汽力必然會(huì)發(fā)生變化，by+dy>ay+cy，轉(zhuǎn)子y方向向下的所受到的汽流力必然增大Fqy>0，很顯然，這會(huì)造成汽輪機(jī)y方向受力增大，瓦溫升高。

圖2　汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子氣流受力分析圖

在汽輪機(jī)工作的時(shí)候，它的動(dòng)葉片通常會(huì)受到很大的靜應(yīng)力以及交變應(yīng)力。靜應(yīng)力是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由葉片上所承受的離心力引起的，汽輪機(jī)的葉片越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就會(huì)越大，它所承受的離心力也就會(huì)越大，因此會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。并且，汽輪機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)有蒸汽流，在這些蒸汽流的壓力作用下，葉片會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲應(yīng)力和扭力，葉片在激振力的作用下被迫發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率與葉片的自振頻率一致的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生一定的共振現(xiàn)象，振動(dòng)幅度會(huì)因此而增大，交變應(yīng)力也會(huì)逐漸增強(qiáng)，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片因?yàn)檫^(guò)度疲勞而發(fā)生斷裂。

2.3環(huán)境介質(zhì)對(duì)汽輪機(jī)葉片的影響

當(dāng)汽輪機(jī)的工作環(huán)境是以水蒸氣作為介質(zhì)時(shí)，由于環(huán)境較為潮濕，而且蒸汽中會(huì)含有氧，就有可能會(huì)造成一些氧化腐蝕，生成一些腐蝕性的鹽從而會(huì)影響葉片的工作強(qiáng)度，在潮濕的蒸汽區(qū)內(nèi)，一些可溶性的鹽會(huì)吸收水蒸氣形成的水滴變成電解液，從而形成電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。汽輪機(jī)葉片的點(diǎn)蝕也是典型的電化學(xué)腐蝕的過(guò)程，由金屬做成的葉片會(huì)與電解質(zhì)之間進(jìn)行化學(xué)作用，電解質(zhì)的陽(yáng)極會(huì)發(fā)生溶解，從而造成鐵原子失去電子變成離子。葉片表面的鈍化膜變得不均勻或者破裂的時(shí)候，葉片的化學(xué)成分會(huì)發(fā)生一定程度的改變，由于介質(zhì)中的活性陰離子被金屬吸附在表面，從而形成微電池。在化學(xué)作用以及多種應(yīng)力的交互作用下，汽輪機(jī)的葉片會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)小的裂紋，慢慢的會(huì)逐漸發(fā)展成大的明顯的裂紋，當(dāng)裂紋逐漸發(fā)展到一定的階段時(shí)，葉片就會(huì)因腐蝕疲勞導(dǎo)致斷裂。

此外，還有一項(xiàng)斷裂機(jī)理，是由汽輪機(jī)本身的原因造成的。在汽輪機(jī)工作時(shí)，如果葉片根部發(fā)生松動(dòng)，葉根就會(huì)隨之發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致葉根與葉根之間或者是葉片與葉輪機(jī)之間的相交面會(huì)發(fā)生相對(duì)摩擦，從而造成機(jī)械損壞的現(xiàn)象。同時(shí)在發(fā)生相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片的表面材料晶體會(huì)發(fā)生滑移或者硬化的現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片上會(huì)產(chǎn)生很多微小的裂紋，隨著工作時(shí)間的增加，裂紋會(huì)逐步變化，最終演變成葉片疲勞斷裂。

3　汽輪機(jī)葉片防護(hù)

基于汽輪機(jī)葉片發(fā)生斷裂的機(jī)理，需要對(duì)汽輪機(jī)的葉片的斷裂現(xiàn)象采取一定的防護(hù)措施，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）汽輪機(jī)的機(jī)組在啟動(dòng)之前必須要對(duì)來(lái)氣管道進(jìn)行充分的疏水，在啟動(dòng)過(guò)程中，要使蒸汽必須保持在相對(duì)較高的過(guò)熱度條件下，如果在汽輪機(jī)工作過(guò)程中出現(xiàn)溫度驟然下降的情況，就應(yīng)該使汽輪機(jī)立即停止工作下來(lái)不再工作。

（2）在汽輪機(jī)的機(jī)組啟動(dòng)之前，應(yīng)該加強(qiáng)軸向位移保護(hù)投入，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，不可以將抽象位移保護(hù)退出，尤其是在汽輪機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，進(jìn)行主汽門和調(diào)節(jié)氣門嚴(yán)密性測(cè)試的的時(shí)候，抽向位移保護(hù)動(dòng)作后不可以隨意退出保護(hù)，在軸向位置達(dá)到定值時(shí)，如果保護(hù)不工作，就應(yīng)該及時(shí)停止工作。

（3）并列運(yùn)行的汽輪機(jī)應(yīng)該裝有一定的串聯(lián)截止門，以確保減溫水管路切斷是可靠的。為了能夠預(yù)防在停機(jī)的時(shí)候或者是在啟動(dòng)給水泵后，水能夠盡快進(jìn)入到熱態(tài)的汽輪機(jī)中，在鍋爐打壓的時(shí)候，就要采用一定的方法來(lái)阻隔水，防止其流入到母管中。

（4）對(duì)于加熱器也要采取一定的措施，防止其在滿水之后返到人汽缸的現(xiàn)象發(fā)生，特別是在抽汽逆止門不嚴(yán)密或者是加熱器銅管易發(fā)生狀況的汽輪機(jī)機(jī)組內(nèi)，更要經(jīng)常性的對(duì)其監(jiān)控水位線的變化情況。

（5）在新的機(jī)組驗(yàn)收的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)精確的檢測(cè)以確定葉片經(jīng)過(guò)探傷，測(cè)頻是合格的。在投產(chǎn)之后，應(yīng)當(dāng)按期全面的對(duì)葉片的損傷程度進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)及時(shí)處理。

（6）應(yīng)當(dāng)定期性的進(jìn)行檢測(cè)，從而能夠使系統(tǒng)的頻率能夠保持的合理的范圍之內(nèi)，并且盡最大可能的降低機(jī)組在脫離了正常頻率情況下的工作時(shí)長(zhǎng)，如有這樣的情況，應(yīng)該及時(shí)停止并進(jìn)行調(diào)整。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理以及針對(duì)汽輪機(jī)葉片斷裂的一些主要的防護(hù)措施進(jìn)行了分析，只有對(duì)機(jī)組進(jìn)行定期全面的測(cè)試檢查和探傷，才能盡早的把有可能發(fā)生的故障消滅在萌芽階段。

［1］張升才.汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，（12）：201-205.

［2］張兵，鄭準(zhǔn)備，王小迎，等.汽動(dòng)給水泵汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理分析［J］.熱加工工藝，2007，（24）：73-75，78.

［3］王玥.汽輪機(jī)葉片的模態(tài)分析與壽命評(píng)估［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

Fracture Mechanism Analysis of Steam Turbine Blade

LIHai-peng
（Haerbin Turbine Company LTD.Haerbin Leilongjiang 150046，China）

The fractureofsteam turbineblade isa frequent failure in thework，to change the currentsituation，wemust makea carefulanalysisof the fracturemechanism of the turbineblade，and find theappropriate protectivemeasures.

steam turbine blade；fracturemechanism；protectivemeasures

TK474.7.1；O346.1

A

1672-545X（2016）06-0205-02

2016-03-15

李海鵬（1979-），男，黑龍江賓人，本科，工程師，研究方向：汽輪機(jī)主體。