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)生故障就會造成很嚴(yán)重的問題，所以要改變這一現(xiàn)狀，對汽輪機(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)措施來解決汽輪機(jī)在工作過程中可能存在的問題，從而一定程度上減少危險的發(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)中對動靜葉片用鋼的總稱，要求其要足夠的堅(jiān)韌，而且制作工藝要好。汽輪機(jī)葉片在工作的時候會受到高溫、高壓以及蒸汽的作用，而且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時候也會承受相當(dāng)大的離心力，有些部位的葉片還會經(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)就會很容易發(fā)生斷裂，所以對于對于汽輪機(jī)的斷裂機(jī)理研究是很有必要的，就要對汽輪機(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)生斷裂的時候，汽輪機(jī)內(nèi)或者是凝汽器內(nèi)可能會產(chǎn)生一些突然的金屬撞擊的聲音；（2）機(jī)組的振動幅度會突然的增大或者機(jī)組會突然的抖動，軸向的位移會明顯地顯示增大或者有大幅度擺動的現(xiàn)象；（3）在葉片的損壞比較多的時候，在同樣的負(fù)荷下蒸汽的流量會有所增加，同時監(jiān)視段的壓力也會有所上升；（4）發(fā)生了斷裂的葉片有可能會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，有可能會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，推力瓦的溫度也會因此而上升。由此可見，汽輪機(jī)葉片斷裂現(xiàn)象直觀，也比較復(fù)雜，對這些現(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工作溫度對汽輪機(jī)葉片的影響

如圖1，在汽輪機(jī)葉片工作時，汽輪機(jī)葉片尤其是它的動葉片，一般會處在相當(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)腐蝕相對其他類型的腐蝕來說可以說是最嚴(yán)重的，所以汽輪機(jī)葉片也會因此而受到影響，甚至?xí)邪l(fā)生斷裂的情況發(fā)生。有時汽輪機(jī)葉片所處的工作環(huán)境的溫度很高，這對于汽輪機(jī)葉片也是一個很大的挑戰(zhàn)。汽輪機(jī)的每一級的葉片在工作的時候的溫度都不一樣，其中，第一級的葉片所處的溫度通常都是極高的，之后的每一級的葉片的溫度都會逐漸降低，直到最后一級溫度最低，在最后一級葉片中存在一些游離的水分子，這些游離的水分子會經(jīng)過冷凝結(jié)合形成水滴，之后會沖擊汽輪機(jī)的動葉片，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，四個高調(diào)閥的進(jìn)汽開度是一致的，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，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子左右側(cè)所收到的蒸汽力必然會發(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)工作的時候，它的動葉片通常會受到很大的靜應(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，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就會越大，它所承受的離心力也就會越大，因此會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。并且，汽輪機(jī)在工作過程中會有蒸汽流，在這些蒸汽流的壓力作用下，葉片會產(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，當(dāng)振動頻率與葉片的自振頻率一致的時候，就會發(fā)生一定的共振現(xiàn)象，振動幅度會因此而增大，交變應(yīng)力也會逐漸增強(qiáng)，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片因?yàn)檫^度疲勞而發(fā)生斷裂。

2.3環(huán)境介質(zhì)對汽輪機(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，由于環(huán)境較為潮濕，而且蒸汽中會含有氧，就有可能會造成一些氧化腐蝕，生成一些腐蝕性的鹽從而會影響葉片的工作強(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)腐蝕的過程，由金屬做成的葉片會與電解質(zhì)之間進(jìn)行化學(xué)作用，電解質(zhì)的陽極會發(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候，葉片的化學(xué)成分會發(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)的葉片會出現(xiàn)一些細(xì)小的裂紋，慢慢的會逐漸發(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，葉片就會因腐蝕疲勞導(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，如果葉片根部發(fā)生松動，葉根就會隨之發(fā)生振動，導(dǎo)致葉根與葉根之間或者是葉片與葉輪機(jī)之間的相交面會發(fā)生相對摩擦，從而造成機(jī)械損壞的現(xiàn)象。同時在發(fā)生相對摩擦運(yùn)動時，葉片的表面材料晶體會發(fā)生滑移或者硬化的現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片上會產(chǎn)生很多微小的裂紋，隨著工作時間的增加，裂紋會逐步變化，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)組在啟動之前必須要對來氣管道進(jìn)行充分的疏水，在啟動過程中，要使蒸汽必須保持在相對較高的過熱度條件下，如果在汽輪機(jī)工作過程中出現(xiàn)溫度驟然下降的情況，就應(yīng)該使汽輪機(jī)立即停止工作下來不再工作。

（2）在汽輪機(jī)的機(jī)組啟動之前，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)啟動的過程中，進(jìn)行主汽門和調(diào)節(jié)氣門嚴(yán)密性測試的的時候，抽向位移保護(hù)動作后不可以隨意退出保護(hù)，在軸向位置達(dá)到定值時，如果保護(hù)不工作，就應(yīng)該及時停止工作。

（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)的時候或者是在啟動給水泵后，水能夠盡快進(jìn)入到熱態(tài)的汽輪機(jī)中，在鍋爐打壓的時候，就要采用一定的方法來阻隔水，防止其流入到母管中。

（4）對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)常性的對其監(jiān)控水位線的變化情況。

（5）在新的機(jī)組驗(yàn)收的時候，應(yīng)當(dāng)精確的檢測以確定葉片經(jīng)過探傷，測頻是合格的。在投產(chǎn)之后，應(yīng)當(dāng)按期全面的對葉片的損傷程度進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)問題，應(yīng)當(dāng)及時處理。

（6）應(yīng)當(dāng)定期性的進(jìn)行檢測，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長，如有這樣的情況，應(yīng)該及時停止并進(jìn)行調(diào)整。

4　結(jié)束語

本文對汽輪機(jī)葉片斷裂機(jī)理以及針對汽輪機(jī)葉片斷裂的一些主要的防護(hù)措施進(jìn)行了分析，只有對機(jī)組進(jìn)行定期全面的測試檢查和探傷，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。