電站汽輪機(jī)次末級(jí)葉片斷裂分析與研究

陳明科

摘 要：對(duì)某電廠汽輪機(jī)次末級(jí)葉片斷裂原因進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)葉片斷裂前運(yùn)行參數(shù)、斷口形貌、化學(xué)成分、金相組織、理化試驗(yàn)等方面的分析、研究，找出葉片斷裂的主要原因?yàn)槿~片出汽側(cè)內(nèi)部存在異常淬硬組織，運(yùn)行中該處在多種應(yīng)力的作用下疲勞斷裂。在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的可行性建議。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);次末級(jí)葉片;斷裂;分析

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0178-02

汽輪機(jī)是電站機(jī)組的核心設(shè)備，其葉片擔(dān)負(fù)著將高溫蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的作用，整組葉片是在極為復(fù)雜的工作條件下長(zhǎng)期運(yùn)行的。汽輪機(jī)葉片在運(yùn)行中不僅需承受高溫氧化腐蝕和拉力、扭力和振動(dòng)應(yīng)力等組成的復(fù)雜應(yīng)力，還需承受因機(jī)組頻繁啟停、內(nèi)部氣流擾動(dòng)、電網(wǎng)周波改變等因素帶來(lái)的交變載荷的作用，處于濕蒸汽區(qū)的葉片還要經(jīng)受化學(xué)腐蝕和水滴的沖蝕作用。由于汽輪機(jī)葉片斷裂事故給電廠帶來(lái)的損失和影響較大，所以對(duì)葉片斷裂事故的分析研究至關(guān)重要。

某火電廠1號(hào)汽輪機(jī)為高壓、單缸、沖動(dòng)冷凝式汽輪機(jī)，型號(hào)C60-8.83/（1.233），容量60MW，葉片設(shè)計(jì)材質(zhì)為2Cr13。2018年7月，該機(jī)組汽輪機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)重大異常情況，被迫緊急停機(jī)檢修。事故發(fā)生前累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)約6.2萬(wàn)小時(shí)，最后一次A級(jí)檢修時(shí)間為2016年4月。開(kāi)缸檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)次末級(jí)葉片斷裂，為明確葉片斷裂原因和葉片的使用性能，對(duì)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片斷裂進(jìn)行了失效分析。

1 試驗(yàn)分析

1.1 葉片斷裂前運(yùn)行參數(shù)

調(diào)閱葉片斷裂前機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組在80%額定負(fù)荷附近穩(wěn)定運(yùn)行，其蒸汽參數(shù)、真空度、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱器水位等均未出現(xiàn)異常波動(dòng)，調(diào)查運(yùn)行人員操作正常。

1.2 宏觀檢查

現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子末二級(jí)（第二十級(jí)）一根動(dòng)葉片斷裂，葉片斷裂位置為葉片中間部位，見(jiàn)圖1。斷裂葉片甩出后已發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，運(yùn)行中斷裂葉片甩出后造成了缸內(nèi)損毀，末三級(jí)葉片動(dòng)、靜部分均受到不同程度的機(jī)械損傷。末級(jí)葉片頂部汽封上半部分脫落，半西側(cè)變形，末級(jí)葉片進(jìn)汽側(cè)受蹭刮導(dǎo)致不同程度損傷。末二級(jí)葉片共34只出汽側(cè)損傷變形。斷裂葉片內(nèi)弧面存在橫向加工刀痕。

1.3 斷口分析

葉片斷口形貌見(jiàn)圖2。為便于分析，將斷口分為3個(gè)區(qū)域。從斷口形貌來(lái)看，斷面上存在較為明顯的疲勞貝紋，從疲勞紋路推斷：斷裂起源于出汽側(cè)拐角處（第1區(qū)），該區(qū)域斷面較粗糙，為快速啟裂部位;疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)（中段部分，第2區(qū)）斷面較為平滑是疲勞裂紋區(qū)，由于運(yùn)行中受到交變應(yīng)力的作用下使該區(qū)域表面磨細(xì)成瓷狀，可見(jiàn)疲勞前沿線（貝殼紋路）的發(fā)展痕跡，前沿線向進(jìn)汽側(cè)發(fā)展，為速度較慢的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域;最終斷裂區(qū)（瞬斷區(qū)，第3區(qū)）位于進(jìn)汽側(cè)端部，斷面不平整，與擴(kuò)展區(qū)存在一明顯角度，為最終撕裂部位。

1.4 光譜分析

查閱相關(guān)技術(shù)資料，該葉片材質(zhì)為2Cr13馬氏體不銹鋼。采用牛津臺(tái)式直讀光譜儀（型號(hào)：FOUNDRY-MASTER Pro）對(duì)斷裂葉片進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，其主要化學(xué)成分含量符合國(guó)標(biāo)GB1220-2016對(duì)2Cr13的規(guī)定。

1.5 金相檢測(cè)

在緊挨斷面與斷面平行截取試樣進(jìn)行微觀組織分析，拋光浸蝕后發(fā)現(xiàn)靠進(jìn)汽側(cè)存在一明顯組織分界線。在葉片出汽側(cè)外弧表面一區(qū)域進(jìn)行了拋光浸蝕，也發(fā)現(xiàn)存在與截面分界線相連的分界線，見(jiàn)圖3所示。對(duì)不同區(qū)域組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，靠出汽側(cè)端部區(qū)域組織與其它區(qū)域存在明顯差異，見(jiàn)圖4～5。從組織形貌來(lái)看，靠出汽側(cè)端部組織為隱針馬氏體（細(xì)針狀高碳馬氏體組織），為淬火組織，范圍20mm×20mm;其它部位為回火馬氏體組織，組織較為均勻，為正常的組織，兩區(qū)域均發(fā)現(xiàn)夾雜物存在。

1.6 硬度檢測(cè)

針對(duì)金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的兩種不同組織，使用華銀HV-1000A維氏硬度計(jì)分別對(duì)兩種組織形態(tài)的區(qū)域進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果（系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為HB）見(jiàn)表2。從硬度檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，隱針馬氏體組織區(qū)域硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)DL/T438-2016規(guī)定的2Cr13硬度范圍（212-277HB），其它部位硬度正常。

2 原因分析

通過(guò)理化試驗(yàn)結(jié)果和事故前機(jī)組運(yùn)行參數(shù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）葉片斷裂前機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，也沒(méi)有異常人工操作，結(jié)合開(kāi)缸后的檢查情況，排除汽輪機(jī)過(guò)水造成葉片水沖擊斷裂的可能性。

（2）參照葉片的斷口形貌可以得出：第一區(qū)為啟裂源區(qū)，源區(qū)紋路粗糙，沒(méi)有貝殼紋，具有疲勞斷裂特征，為應(yīng)力腐蝕區(qū);第二區(qū)為裂紋發(fā)展的后區(qū)，可見(jiàn)貝殼紋為疲勞斷面;第三區(qū)為最終拉斷區(qū)。

（3）造成葉片斷裂的主要原因?yàn)槿~片出汽側(cè)存在組織異常區(qū)域，葉片斷裂源區(qū)存在20mm×20mm硬度及組織異常區(qū)域，該區(qū)域硬度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，組織為隱針馬氏體，脆性較大，具有快速啟裂特征，斷裂葉片內(nèi)弧面存在橫向加工刀痕，加劇應(yīng)力集中，加快裂紋的萌生和發(fā)展。該區(qū)域正常組織與非正常組織的分界線是應(yīng)力集中區(qū)域，葉片經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，因疲勞積累，使疲勞強(qiáng)度下降，裂紋自分界線起裂短時(shí)間內(nèi)迅速延伸至正常組織邊沿，逐漸切向延伸形成裂紋發(fā)展的后區(qū)，當(dāng)疲勞裂紋發(fā)展接近第三區(qū)時(shí)，由于葉片有效截面不斷減小，增加了葉片的應(yīng)力，在不足以抵抗多次交變應(yīng)力的作用下，瞬間發(fā)生了斷裂。

3 處理與建議

（1）導(dǎo)致本次事故的直接原因是葉片內(nèi)部含有異常淬硬組織，因淬硬組織是材料局部微觀組織變化，無(wú)法通過(guò)外部宏觀檢查和無(wú)損探傷手段發(fā)現(xiàn)。此次斷口取樣發(fā)現(xiàn)的組織異常是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室金相檢測(cè)與硬度檢測(cè)相結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)的，檢修中不可能對(duì)每片葉片進(jìn)行100%面積的金相分析檢查。目前無(wú)控制手段從源頭（葉片的冶金狀態(tài)的夾雜、加工中的熱處理規(guī)范否）進(jìn)行質(zhì)量控制，檢修中無(wú)法通過(guò)宏觀檢查、無(wú)損檢測(cè)等方法發(fā)現(xiàn)淬硬組織。基于上述原因，結(jié)合缸內(nèi)葉片的損傷情況，建議更換末二級(jí)所有損傷的葉片，對(duì)末級(jí)損傷的葉片及其他損傷的靜葉片、汽封條等進(jìn)行修復(fù)。

（2）由于機(jī)組已經(jīng)過(guò)2個(gè)大修周期，對(duì)于葉片局部異常組織（淬火組織）形成原因目前以無(wú)法確定。葉片斷裂處的異常組織可能在制造階段形成，比如裝配階段葉片變形矯正（熱整形，或冷矯正）均可以使局部組織產(chǎn)生變化，導(dǎo)致硬度升高，脆性增加;也可能在檢修中發(fā)生碰撞后熱冷矯正形成淬硬組織。在今后對(duì)汽輪機(jī)葉片檢修時(shí)需嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程，杜絕檢修中因異物碰撞葉片造成葉片局部應(yīng)力集中的隱患。對(duì)于新更換的葉片，要求生產(chǎn)廠家嚴(yán)格規(guī)范加工工藝過(guò)程，避免出現(xiàn)葉片表面留有加工刀痕、粗糙度不好、葉片扭轉(zhuǎn)接刀處不當(dāng)?shù)饶芤饝?yīng)力集中的因素。

（3）加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片金屬技術(shù)監(jiān)督，定期對(duì)低壓轉(zhuǎn)子末三級(jí)葉片、葉根和末級(jí)套裝葉輪軸向鍵槽部位進(jìn)行無(wú)損探傷。由于末幾級(jí)低壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期經(jīng)受濕蒸汽的腐蝕和沖蝕，且應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，葉片和葉根處容易產(chǎn)生微裂紋，通過(guò)對(duì)葉片、葉根槽等相關(guān)部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可有效發(fā)現(xiàn)并及時(shí)消除已形成的宏觀缺陷和微觀缺陷。目前汽輪機(jī)葉片與葉根槽常用檢測(cè)方法為磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和常規(guī)超聲波檢測(cè)，近幾年新應(yīng)用的陣列渦流檢測(cè)技術(shù)和相控陣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步提高了檢測(cè)效率和可靠性。

（4）加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行監(jiān)督管理，改善運(yùn)行條件，避免出現(xiàn)汽輪機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定、共振、水擊等造成葉片疲勞損傷;保持氣溫穩(wěn)定，防止汽溫過(guò)高或過(guò)低使高壓葉片的高溫疲勞損傷或最后幾級(jí)葉片濕蒸汽沖蝕加大;加強(qiáng)對(duì)汽水品質(zhì)的監(jiān)督控制，減少有害雜質(zhì)含量，防止葉片結(jié)垢腐蝕;加強(qiáng)運(yùn)行人員事故判斷能力，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)葉片斷裂時(shí)應(yīng)及時(shí)停機(jī)處理，避免事故擴(kuò)大。

4 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)葉片在高溫、高應(yīng)力、腐蝕的惡劣條件下工作，其葉片斷裂是一件復(fù)雜的過(guò)程，往往有多種原因的作用和影響。通過(guò)對(duì)葉片斷裂的原因進(jìn)行分析并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，可以有效增加汽輪機(jī)葉片運(yùn)行可靠性，進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)型。

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