国产超临界600MW汽轮机叶片断裂原因分析及研究

国产超临界600MW汽轮机叶片断裂原因分析及研究

曾峰

（靖海发电有限公司广东揭阳515223）

摘要：本文介绍了XX电厂国产超临界600MW汽轮机低压叶片断裂的原因分析、改进措施以及实施方案，可供同类型机组参考，避免发生同样的事故。

关键词：国产超临界600MW汽轮机，叶片断裂，原因分析，改进措施

Theanalysisandimprovementmeasuresonthebreakofturbine’sbladeof600MWsupercriticalunit

ZengFeng

(JinghaiPowerGenerationCo.,Ltd.,Jieyang,Guangdong515223,China)

Abstract:Thispaperpresentsthecauseanalysisonthebreakofthesteamturbine’slow-pressurebladeanditsimprovementmeasuresandscheme.Itisofreferentialvaluetothetreatmentofblade’sbreakofsimilarunitstoavoidsimilarmalfunction.

Keywords:steamturbineof600MWsupercriticalunit;breakoftheblade;causeanalysis;improvementmeasures

1、事故情况简介

XX发电厂1号汽轮机为国产引进型超临界600MW汽轮机，N600-24.2/566/566型、一次中间再热、三缸四排、单轴、双背压、凝汽式汽轮发电机组。2010年5月4日完成小修后启动，5月5日1：30带300MW负荷运行过程中，发现凝结水钠离子超标，进行凝汽器单侧隔离查漏，恢复后，继续升高，严重影响汽水品质，经向中调申请停机临修。5月7日机组重新启动，12：06机组并网，5月9日机组负荷加至300MW时发现阀位指令、调节级压力、轴向位移、推力轴承温度等参数明显较5月4日及小修前异常，根据此次启机及水质情况，分析为汽轮机通流部分结垢引起，随后机组申请停机处理。5月19揭缸检查发现A低压汽机测第5级动叶片断裂一只，第6级动叶断裂一只，第6，7级隔板和动叶片有不同程度损伤。

（1）断口位置与型根的距离在60mm～70mm之间，位于叶身下上部位。

（2）安装位置位于叶片组中的背弧侧第1片，居叶片组的最外端处。

（3）断裂源都位于叶片出汽边的圆角部位，为明显的疲劳与腐蚀疲劳断裂。

（4）疲劳扩展区面积很大，瞬断区面积较小，有明显的多条疲劳纹，叶片表面腐蚀斑致密，说明该叶片曾经历多次高动应力事件，导致多条疲劳纹扩展，最终叶片应力超过叶片材料极限强度而导致叶片断裂，断口为高周腐蚀疲劳断口。

（5）断裂叶片位于级后有抽汽口的过度区，无规律分布。

1.2A低压汽机侧第6级动叶片断裂一只，断口位置与叶顶的距离在30mm～40mm之间，位于叶身上部位，在此部位表现为明显的异物打击断裂的特征。叶片号：BJ631。其余叶片有不同程度损伤。

1.3A低压汽机侧第7级动叶片11只被打伤严重。

1.4A低压汽机侧第6，7级有不同程度打伤，所有高中压隔板结垢严重。特别是调节级气道表面结垢2-3mm。

2、事故级叶片计算分析

2.1叶片设计参数

低压第5级叶片材料为1Cr12Ni2W1Mo1V/735：

2.2叶片强度振动计算

2.2.1蒸汽弯应力计算

2.2.2常规强度计算结果从偏于安全的角度考虑，叶片常规强度校核取用材料为1Cr12Ni2W1Mo1V/735

叶片强度设计合格并有足够的强度安全裕度

2.2.3成组叶片频率计算

成组动频计算结果：单位：Hz（约束叶根工作面）

结论：

（1）叶片最低频率大于k的6倍频，叶片振动特性满足低频共振调频的规范；

（2）高频激振频率远大于叶片自有频率，即叶片不可能发生高频共振。

2.2.4有限元强度计算

（1）成组叶片等效应力最大区域位于叶根圆弧，最大为270MPa，

（2）型线中上部区域（距型根高度大于180mm）最大应力不大于160MPa，

（3）均远小于叶片材料屈服强度735MPa。

2.2.5有限元动响应分析计算

2.2.6计算结果分析：

（1）从叶片的动应力计算结果可知，叶片的正常连续激振频率为50的倍数。如果叶片发生机械共振（328Hz），叶片的动应力非常高97.4MPa（约为非共振状态的20倍）将使叶片在数小时内发生高周疲劳断裂；

（2）所有本级事故叶片均经历了一年以上的运行，承受高频激振次数（寿命）远大于107次，完全可排除叶片事故是由于谐波的机械共振造成的。

（3）只有可能是间断的激振（如非稳定气流激振）且共振才导致叶片的这种破坏特性。

（4）事故断裂叶片断裂位置均位于与轴向一阶或扭振一阶共振时，产生的最大动应力区域，因此，就目前的断裂事件分析，可推论，本级叶片在过去的运行历史中，经历过多次非稳定的气流激振，其激振频率约在500Hz～620Hz范围内。如果有此激振源作用，叶片在该部位产生裂纹而断裂几率将会增大。

3事故原因分析

3.1本级事故叶片的特性总结

（1）工作在有抽汽口的过渡区；(存在腐蚀条件和气流不稳定条件)。

（2）都有低负荷低真空的运行历史；（存在运行参数不稳定的条件）。

（3）断口呈现高周疲劳特征（应力疲劳，与共振有关）；叶片表面有腐蚀斑。

（4）断口位置均位于与轴向一阶以及扭振一阶共振时，产生的最大动应力区域，具有相似性。（经历的共振模态特性相近）

（5）断裂叶片的运行小时高（已承受高频激振次数大于107次）（与机组的正常谐波激振（高频和低频）发生共振的可能性不存在）。推论：存在附加激振源且激振频率与叶片的某阶动频共振，导致高周疲劳。

3.2通过国内外众多叶片疲劳事故的分析表明，汽轮机叶片汽流激振是导致叶片疲劳断裂的根本原因。近年来的叶片事故中由于叶片设计振动频率与机器的工作频率产生的共振事件较少（设计调频不合格事件），大部分叶片事故主要是机器在运行中偶尔经历了异常工况，这种异常工况导致气动弹性失稳，进而诱导附加的自激激振，这种激振频率一旦与叶片的模态固有频率共振，就产生极大的共振动应力，导致叶片的高周疲劳断裂特征（主要发生在末三级叶片中）。气动弹性现象的性质由流体和结构决定。由于非定常流计算和叶片组应力响应中的一些分析结果与记录了若干汽轮机低压叶片断裂特性和运行历史事件基本相符。当汽轮机在低真空低负荷状态下运行，如果在某级叶片的某区域发生气动弹性现象，将造成该区域的叶片应力急剧增大。叶片振动增量由不稳定流激发，振动呈发散状态。这种激振具有偶发性和任意性，通常这是由于电网负荷突降或真空变化引起的谐波负荷激发的一个不规则瞬变现象。这种事故叶片的特性是：1）都有在低负荷低真空的运行历史；2）断口呈现高周疲劳特征；3）断裂叶片的运行小时高（已承受高频激振次数大于107次）。

3.3结论：

（1）叶片设计满足定转速汽轮机动叶片的强度振动设计规范，并有较大强度裕度。

（2）叶片断裂特性均表现为高周疲劳（应力疲劳）断裂。断裂的充要条件为：长期的变负荷运行（背压或负荷等突变），加上抽汽口抽汽导致的不稳定流动，诱导汽流激振，该激振频率与叶片组的轴向或扭振频率发生共振，此共振导致了在叶片与振形相关的区域产生高动应力（大于20MPa），超过设计许用动应力，从而导致叶片高周疲劳断裂概率大增。叶片表面的腐蚀坑，证明存在腐蚀疲劳的条件，极大地降低了材料疲劳强度，也是本级叶片事故的一个因素。

4改进措施及实施方案

4.1改进措施

（1）更换抗腐蚀性能更高的材料；

（2）加强叶片表面喷丸强化的质量管理，提高材料的抗腐蚀性能；

（3）改变叶片的结构，使叶片的固有频率远离不稳定气流的激振频率（在设计阶段很难实现，因LL/LV运行条件下的不稳定气流激振频率目前不能较准确计算。）；

（4）采用自带冠成圈叶片结构；自带冠叶片是目前世界流形的叶片结构，由于结构本身的动力学特性优良，在同等的激振作用下，其动应力水平减小80%左右。自带冠成圈结构也是公认的防止非稳定气流激振的有效结构。制造厂针对本级新改进设计的自带冠结构叶片已投运2年多，目前均安全地运行，说明自带冠叶片的安全可靠性优于原设计的成组叶片。

（5）严格控制运行，避开LL/LV运行，特别要严格控制负荷的突变和真空的异常突变；

（6）加强锅炉内循环水的水质控制。

4.2实施方案

由于目前国内电厂的负荷率一般都在50%-100%间长期变负荷（昼夜频繁变化）运行，几乎不可避免汽轮机低压末三级长期运行在LL/LV工况，和已投运的采用围带成组的本级叶片事故率较高的实情。从上述事故原因分析结论来看，要从根本上解决本级围带成组叶片的安全可靠性，切实可行的处理方案是：

（1）针对负荷率一般在80%以上的电厂（年运行小时大于6000小时），建议电厂维持原设计围带成组结构，在大修期对本级叶片做着色检查即可。由于自带冠叶片的经济性优于原设计围带成组叶片（约0.2%），如果电厂为提高本级的经济性和变负荷工况的适应性，可以采用自带冠结构的动叶片。

（2）针对负荷率一般小于80%的经常变负荷运行的电厂，建议尽可能用自带冠叶片更换原成组叶片，可较大地提高机组在LL/LV工况下运行时本级叶片的安全性，同时也提高了本级的经济性。

（3）目前低压第5级仍然采用原成组结构叶片的600MW机组，尽可能不参与变负荷调峰运行；如仍然需要参与变负荷调峰运行，必须严格控制负荷变化率（建议不大于6MW/分钟）和真空变化率。

作者简介

曾峰，1977年5月出生，男，汉族，广东梅州人，汽机工程师，工学学士，主要从事汽轮机技术管理工作。