張向軍，王 強(qiáng)，蘇煥朝，張 瓊

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司西安分院，陜西 西安 710054；2.華電山西能源有限公司，山西 太原 030006；3.華電國際朔州熱電分公司，山西 朔州 036000；4.西北電力建設(shè)第三工程有限公司，陜西 咸陽 712021)

汽輪機(jī)葉片按其工作性質(zhì)可分為動(dòng)葉片及靜葉片兩種類型。動(dòng)葉片又稱為工作葉片，主要起傳遞動(dòng)力的作用；靜葉片又稱為導(dǎo)向葉片，主要起導(dǎo)向流體的作用[1-2]。由于葉片工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜，斷裂事故經(jīng)常發(fā)生，且后果又較嚴(yán)重，所以對(duì)葉片斷裂事故的分析研究至關(guān)重要。葉片斷裂事件原因?yàn)闄C(jī)組葉頂圍帶損傷使葉片在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，葉片斷裂部位疲勞損傷，在應(yīng)力集中部位(葉片端面起始變截面處)優(yōu)先形成裂紋并逐步擴(kuò)展造成葉片疲勞失效[3-5]。

圖1 末級(jí)葉片斷口情況(葉輪側(cè))

某電廠3號(hào)汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽、可調(diào)整抽汽式凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為C330/N200-16.7/539/540。汽輪機(jī)共有八段非調(diào)整抽汽。汽輪機(jī)分為高壓缸、中壓缸、低壓缸，高壓缸共12級(jí)，第1級(jí)為單列調(diào)速級(jí)，其余各級(jí)均為壓力級(jí)；中、低壓缸各有10級(jí)壓力級(jí)；低壓缸對(duì)稱分流各6級(jí)。高壓轉(zhuǎn)子為耐熱合金鋼整鍛轉(zhuǎn)子，中壓轉(zhuǎn)子為整鍛加套裝結(jié)構(gòu)(即組合式)，低壓轉(zhuǎn)子采用套裝式結(jié)構(gòu)。該汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)，采用分流布置，正反向各6級(jí)，其中末級(jí)葉片數(shù)量為2×96片，采用七叉型葉根，葉身長度為710 mm，通過鉚接圍帶和拉筋的焊接5～6片葉片形成一組。葉片材質(zhì)為2Cr13鋼，為提高末級(jí)葉片的抗沖蝕能力，由葉片頂部起始在進(jìn)汽邊背弧鑲焊了長250 mm的司太立硬質(zhì)合金(Co60Cr30W5)。

該電廠汽輪機(jī)在運(yùn)行期間，電機(jī)側(cè)低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)第13組第5片動(dòng)葉片發(fā)生斷裂(圖1)，并造成部分同級(jí)葉片損傷(圖2)。葉片斷裂面距葉根部200 mm，與葉片長度方向成90°，位于葉片鑲焊司太立合金的交界處。

圖2 末級(jí)受損葉片(電側(cè))現(xiàn)場情況

1 事故原因分析

1.1 斷裂葉片材質(zhì)分析

對(duì)斷裂葉片(2Cr13材質(zhì))依據(jù)GB/T 8732-2014、DL/T 991-2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行成分分析，檢測結(jié)果見表1，試驗(yàn)結(jié)果顯示均滿足符合GB/T 8732-2014要求。

表1 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂葉片(2Cr13材質(zhì))依據(jù)GB/T 8732-2014、GB/T 231.1-2018 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行硬度檢測分析，檢測結(jié)果見表2，試驗(yàn)結(jié)果顯示均滿足符合GB/T 8732-2014要求。

表2 硬度檢測結(jié)果

經(jīng)機(jī)械拋光、氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕，DMI5000M 金相顯微鏡依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732-2014、DL/T 884-2004進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果合格，檢測部位：JS-1908008001橫截面1000倍金相組織為回火馬氏體，見圖3；檢測部位：JS-1908008001橫截面放大倍數(shù)：200倍，δ鐵素體含量：約0.23%，見圖4。

圖3 1000×

圖4 200×

對(duì)斷裂葉片和完好葉片分別進(jìn)行了化學(xué)成分、布氏硬度、室溫拉伸試驗(yàn)、室溫沖擊試驗(yàn)、金相組織、非金屬夾雜物等試驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)果表明：除室溫拉伸試驗(yàn)的斷后延伸率略低于GB/T 8732-2014《汽輪機(jī)葉片用鋼》要求外，其他所檢材料性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由于室溫拉伸試驗(yàn)的斷后延伸率并非本次葉片斷裂的主要因素，不考慮其影響。

綜合以上檢驗(yàn)結(jié)果，可認(rèn)為本次葉片斷裂與葉片原始材質(zhì)無直接關(guān)系。

1.2 葉片加工工藝影響分析

公司3號(hào)機(jī)組于2003年12月投產(chǎn)運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間接近16年，截止2019年6月3號(hào)機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為105636.28 h。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，低壓末級(jí)動(dòng)葉葉根出汽邊側(cè)葉片厚度存在明顯差異。各葉片加工工藝精度存在一定程度的差別，影響葉片本身強(qiáng)度，在長時(shí)間運(yùn)行情況下，易造成末級(jí)葉片與硬質(zhì)合金鑲焊處的損傷累積，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。

1.3 末級(jí)葉片根部水蝕影響分析

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片長期處于濕蒸汽狀態(tài)運(yùn)行，通常受到水滴沖刷磨損。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，末級(jí)動(dòng)葉根部出汽邊側(cè)存在減薄現(xiàn)象。除葉片加工工藝精度的影響外，汽流沖刷和水蝕現(xiàn)象也可造成末級(jí)葉片性能的下降，進(jìn)而促使葉片疲勞損傷的形成。

1.4 葉片蒸汽作用力沖擊影響分析

觀察葉片的宏觀及斷口形貌照片，如圖5和圖6所示，可見斷面較平坦，具有明顯的疲勞斷口特征。疲勞源區(qū)位于葉片端面起始處，此處為變截面，出汽邊端角部位，源區(qū)微觀可見存在局部有劃痕且伴有微小凹坑，可能在開裂初期斷口兩面局部碰磨有關(guān)，如圖7所示。疲勞擴(kuò)展區(qū)可見明顯貝紋線，微觀可見疲勞裂紋，如圖8所示。瞬斷區(qū)域明顯氧化程度較輕，為強(qiáng)度不足后較短時(shí)間內(nèi)撕裂。

葉片受蒸汽作用力沖擊發(fā)生振動(dòng)，以裂紋源為起點(diǎn)逐漸擴(kuò)展，由于圍帶與拉金的減振作用，疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展比較緩慢，故疲勞端口平整，裂紋擴(kuò)展過程呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展的特征。

此外通過對(duì)機(jī)組原葉片同本次新更換葉片的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，事件斷裂葉片疲勞裂紋起始點(diǎn)處為尖角凸出，存在一定程度的應(yīng)力集中，新更換葉片已將疲勞裂紋起始點(diǎn)處端角進(jìn)行倒圓圓滑過渡，如圖9所示。

圖5 斷裂葉片斷口示意圖

圖6 斷裂葉片斷口分析圖

圖7 斷口源區(qū)形貌

圖8 擴(kuò)展區(qū)疲勞條紋

圖9 更換葉片和原葉片對(duì)比

1.5 葉頂圍損傷運(yùn)行影響分析。

公司3號(hào)機(jī)組2017年進(jìn)行擴(kuò)大性小修時(shí)發(fā)現(xiàn)，低壓缸電側(cè)與汽側(cè)末級(jí)動(dòng)葉葉頂圍帶存在撕裂和脫落現(xiàn)象，圍帶斷裂更換共計(jì)34只(由于原設(shè)計(jì)葉片無葉片編號(hào)，無法明確葉頂圍帶更換部位)。以往歷次大修均有類似問題出現(xiàn)，2017年檢修后仍可能存在葉頂圍帶損傷的情況。圍帶損傷后葉片振動(dòng)頻率、振型及葉身的受力情況均會(huì)發(fā)生改變。葉頂圍帶損傷使葉片在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過10萬h，會(huì)使葉片斷裂部位逐步造成疲勞損傷，性能下降，在應(yīng)力集中部位(葉片端面起始變截面處)優(yōu)先形成裂紋并逐步擴(kuò)展，進(jìn)而造成葉片斷裂。

2 結(jié)論及建議

根據(jù)上述機(jī)組故障分析結(jié)果，為保證同類機(jī)組正常運(yùn)行，本文給出如下運(yùn)行建議：

(1)鉚接圍帶是上世紀(jì)的主流技術(shù)，由于鉚接的工藝問題和組裝環(huán)境及人員的影響極有可能是鉚接圍帶首先發(fā)生斷裂，進(jìn)而破壞動(dòng)平衡，致使葉片發(fā)生斷裂。

(2)在硬質(zhì)合金與葉片交界區(qū)，由于材質(zhì)的變化和鑲焊的原因，在末級(jí)葉片承受沖蝕、高速轉(zhuǎn)動(dòng)形成的離心力和振動(dòng)交變應(yīng)力等長時(shí)期的共同作用下，容易萌生裂紋。同時(shí)，汽輪機(jī)運(yùn)行期間，由于末級(jí)葉片具有較大的質(zhì)量和尺寸，其高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，因而，在硬質(zhì)合金與葉片的橫向交界區(qū)更易萌生疲勞裂紋，縱向交界區(qū)則大多為點(diǎn)狀線缺陷，裂紋較少。

(3)通常情況下，葉片內(nèi)外弧拐角處由于應(yīng)力集中，也更易萌生橫向疲勞裂紋。但是，如果硬質(zhì)合金與葉片鑲焊有質(zhì)量問題，如原始鑲焊質(zhì)量欠佳，或鑲焊區(qū)遭到?jīng)_蝕等影響后，性能大幅下降等，也會(huì)在葉片背弧鑲焊區(qū)缺陷位置產(chǎn)生橫向裂紋。

綜合分析以上各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為：機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行后末級(jí)葉片金屬材料基體的各種累積損傷(破壞動(dòng)平衡的條件下，損傷加速)，在葉片硬質(zhì)合金原始鑲焊質(zhì)量不良區(qū)域逐步形成疲勞裂紋，并最終導(dǎo)致了葉片斷裂。