火力发电机组低压缸叶片断裂诊断分析与研究

火力发电机组低压缸叶片断裂诊断分析与研究

刘光耀、邱树良、康艳昌、张得科

华电电力科学研究院有限公司，中国 济南250000

摘要：汽轮机末级叶片指汽轮机内蒸汽过程的最后一级叶片，通常指汽机低压缸的最后一级叶片，是汽轮机主要部件之一，特别是在高参数大容量的超超临界机组中占有重要地位，其安全可靠的运行，直接影响着整个电站设备运行。本文根据火电机组发生的低压缸叶片断裂，对机组的异常停机情况进行了分析诊断研究，分析出了其故障发生原因，并提出了合理优化建议和措施。

关键词：低压缸叶片；断裂；停机

引言：汽轮机末级叶片指汽轮机内蒸汽过程的最后一级叶片，通常指汽机低压缸的最后一级叶片，蒸汽在汽轮机内做功伴随着压力和温度的降低，体积的膨胀，由于最后一级的蒸汽压力最低，所需的容积流量也最高，因此末级叶片是汽轮机各级叶片中最长的一级，承受最大的离心力载荷和由此产生的应力。末级叶片是汽轮机中的一个重要部件，它的工作环境复杂，其可靠性的影响因素众多，是一个复杂的多学科问题，它不仅与机械设计、空气动力学设计、材料成分设计有关，还与材料热处理工艺设计、材料生产控制、成品组装工艺及控制、环境因素等相关。在国内外汽轮机的运行过程中，都曾出现较多的末级叶片裂纹或断裂事故。究其原因是多样性的、复杂的。为了保证汽轮机的正常运转，有效减少和预防事故的发生，在汽轮机末级叶片正式投入使用之前，我们有必要对汽轮机末级叶片进行全面的微观组织结构和力学性能的分析，以确保其在投入使用后能正常运转，避免叶片过早的失效或断裂，有效提高汽轮机的可靠性和安全性。

1低压缸叶片的设计形式

概括来讲，汽轮机末级叶片有3种结构形式，即自由叶片、成组叶片及由围带和/或拉筋连接的整圈叶片。从国内外汽轮机制造厂家来看，BBC、Allis-charmers、KWU等公司采用过自由叶片，美国通用电气、西屋公司、三菱、日立、列宁格勒金属工厂等多采用成组叶片。从动力学的观点来看，自由叶片流型好、应力集中强度较低、其振型少，而且易于计算，但其最大的缺点是对抗拉强度要求高，故叶根很宽，这样沿叶高的递减率很大，叶顶的挠性大，极容易产生颤振。成组叶片及整圈叶片是通过围带与叶顶铆接进行固定。当然围带也可以与叶片整锻而成，而后彼此焊接在一起。同样拉筋也可以和叶片锻成一体，或松拉筋型式。美国通用电气和西屋公司等采用的成组叶片为每组4只或6只不等，通过自身围带和阻尼拉筋连在一起。国内851mm和1016mm叶片为成组连接，680mm、710mm叶片为铆接整圈围带，拉筋为整圈松拉筋。

与叶轮相衔接的叶根有倒T型、双倒T型、外包菌型、枞树型及叉型。美国通用电气公司及西屋公司多采用枞树型叶根，国内大型机组的末级叶片叶根为五叉型和七叉型，通过定位销与叶轮轮缘锁定。

2机组停机故障情况

某公司3号汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产制造的超高压、一次中间再热、单轴、三缸两排汽、可调整抽汽式凝汽式汽轮机。型号为C135/N200－12.7/535/535。汽轮机共有八段非调整抽汽。汽轮机分为高压缸、中压缸、低压缸，高压缸共12级，第1级为单列调速级，其余各级均为压力级；中、低压缸各有10级压力级；低压缸对称分流各5级。高压转子为耐热合金钢整锻转子，中压转子为整锻加套装结构（即组合式），低压转子采用套装式结构。

2019年07月25日13时06分35秒3号机组负荷125MW，锅炉主蒸汽流量430t/h，3-2、3-3磨煤机运行，3-1、3-2引风机、送风机、一次风机运行；3-1给水泵、5号循环泵、3-1凝结泵运行。3-1磨煤机、3-4磨煤机、3-2给水泵、6号循环泵、3-2、3-3凝结泵正常备用，机组在协调控制方式下运行。

13时06分39秒，3号轴瓦X向振动值为252.11μm，Y向振动值为320.42μm，3瓦瓦振为123.95μm，汽机跳闸，首出为机组轴瓦振动大。

3检查情况

3.1设备检查情况

宏观形貌观察从现场渗透检测结果可看出，开裂现象都发生在次末级叶片，开裂部位均位于叶片拉筋与叶根之间近拉筋侧，裂纹垂直于叶片长度方向。对开裂叶片进行宏观观察，发现叶片进气侧表面存在大量腐蚀坑。选取开裂严重的一只叶片，将开裂部位打开进行断口宏观形貌检查。叶片断口表面齐平，未见明显的塑性变形，也未见明显的机械损伤等缺陷。断裂面是典型的疲劳断口，断口上初始断裂区、裂纹扩展区等特征区域清晰可辨，开裂起源于叶片出气侧边缘圆弧处，并向进气侧扩展，开裂方向与叶片长度方向垂直。起裂区所占面积较小，断口的大部分为扩展区，有典型的“海滩状”疲劳条带形貌。

3.2 DCS历史曲线检查情况

调取DCS历史曲线，事故发生前运行参数正常（见图2），事故发生时机组振动明显升高，由于叶片断裂瞬间，4号轴振和5号轴振瞬间变大并超出工作范围，变为坏点（坏点不参与保护），机组3号轴瓦振动大保护动作（轴振超过254μm与瓦振超过35μm同时满足）。

3.3叶片断裂检查情况

停机后，检修人员通过打开凝汽器人孔，发现低压转子末级叶片（电侧）已经断裂。7月28日对机组进行揭缸检查，其叶片断裂、受损损坏叶片和受损隔板情况较严重。某公司低压缸对称分流各5级，低压转子采用套装式结构，本次断裂为末级叶片（电侧），该级共94只，每只叶片长度为710mm。末级叶片拉筋采用整圈半剖松拉筋，叶片顶部之间使用拱形围带，以提高级效率和加强叶片刚度。

1）叶片断裂情况

断裂叶片为末级叶片（电侧），断裂位置为叶片根部。叶片断裂后损伤其它26只末级动叶片，损伤部位为出汽边侧。断裂叶片残骸剩余部分长度约20cm左右，详细见图1和图2。

图1 末级叶片断口情况（叶轮侧）

图2 末级受损叶片（电侧）现场情况

2）轴瓦及振动探头受损情况

1号轴瓦存在乌金脱落现象，4号和5号轴瓦存在剐蹭痕迹，通过DCS历史趋势可以看出，4号和5号轴瓦振动探头瞬间变为坏点，振动超出量程测量范围，现场揭瓦后发现4号和5号轴瓦振动探头已经损坏

3.4最近历次检修及试验情况

1）2017年机组进行扩大性小修，委托新疆电科院进行叶片静频测试；

2）2107年机组进行扩大性小修，汽轮机本体揭缸，电厂进行了叶片着色渗透探伤工作；2013年机组大修时委托新疆电科院进行了叶片及大轴等超声波无损探伤工作，但未见低压转子末级套装叶轮轴向键槽部位超声波探伤报告；

3）2017年机组进行扩大性小修，检查发现低压缸电侧与汽侧末级动叶叶顶围带存在撕裂和脱落现象，共计34只，后电厂自行更换。且历次机组大修均发现末级动叶叶顶围带损伤情况。

4原因分析

某公司3号机组2017年进行扩大性小修时发现低压缸电侧与汽侧末级动叶叶顶围带存在撕裂和脱落现象，围带断裂更换共计34只（由于原设计叶片无叶片编号，无法明确叶顶围带更换部位），以往历次大修均出现类似问题，2017年检修后仍有可能会存在叶顶围带损伤的情况。围带损伤后叶片振动频率、振型及叶身的受力情况均会发生改变。叶顶围带损伤使叶片在非设计状态下运行，同时机组运行时间已经超过10万小时，会使叶片断裂部位逐步造成疲劳损伤，在应力集中部位形成裂纹并逐步扩展，进而造成叶片断裂。

1）运行操作方面：从调取历史数据分析可知，机组在事故发生前运行工况稳定、无重大操作，机组主汽、再热、振动、轴位移、胀差、机组背压等运行参数未发现异常。

2）叶片加工工艺：某公司3号机组于2003年12月投产运行，机组运行时间接近16年，截止2019年6月3号机组运行小时数为105636.28小时。现场检查发现低压末级动叶叶根出汽边侧叶片厚度存在明显差异，各叶片加工工艺精度存在一定程度的差别。

3）末级叶片根部水蚀：现场检查发现末级动叶根部出汽边侧存在减薄现象，除叶片加工尺寸偏差的影响外，汽流冲刷和水蚀现象也可能对叶片的疲劳损伤产生一定程度的影响。

观察叶片的宏观及断口形貌照片，可见断面较平坦，具有明显的疲劳断口特征，疲劳源区位于叶片端面起始，此处为变截面，出汽边端角部位；疲劳扩展区可见明显贝纹线，瞬断区域明显氧化程度较轻。

此外通过对机组原叶片同本次新更换叶片的对比发现，事故断裂叶片疲劳裂纹起始点处为尖角凸出，存在一定程度的应力集中，新更换叶片已将疲劳裂纹起始点处端角进行倒圆圆滑过渡。

对断裂叶片和完好叶片分别进行了化学成分、布氏硬度、室温拉伸试验、室温冲击试验、金相组织、非金属夹杂物等试验项目，结果表明：除室温拉伸试验的断后延伸率（并非本次叶片断裂的主要因素）略低于GB/T 8732-2014《汽轮机叶片用钢》要求外，其他所检材料性能均符合标准要求，详细见附表叶片检测报告。

5处理及防范措施

1）对损坏叶片进行更换过程中，建议在叶轮上用钢印对末级叶片进行编号，有利于后续检修及事故分析溯源。

2）对新更换探头及其余各瓦振动探头进行校验，确保振动保护稳定、可靠。

3）后续机组揭缸检修时应严格遵守相关标准及规程的规定，对末两级叶片进行静频测试工作。

4）机组每次A级检修，应对低压转子末三级叶片和叶根、高中压转子末一级叶片和叶根进行无损探伤；同时应对汽轮机转子末级套装叶轮轴向键槽部位进行超声波探伤。

5）通过查看DCS历史趋势，发现本次停机过程中4号和5号轴瓦振动测点变为坏点，机组没有能及时停机，建议振动保护逻辑中针对振动坏点保护进行优化，确保在出现类似情况时振动保护可靠、及时停机。

6结论

通过试验及分析，判断该机组汽轮机次末级叶片开裂的主要原因为是机组蒸气介质中含有对马氏体不锈钢腐蚀敏感的Cl-，腐蚀性Cl-长期在叶片上累积并与叶片运行过程中的静载荷及动载荷形成了拉应力共同作用，在Cl-腐蚀区域萌生应力腐蚀微裂纹。在转子高速转动过程中产生的叶片长期循环激振应力作用下，应力腐蚀裂纹源以疲劳方式扩展，最终导致叶片形成严重开裂。鉴于该机组汽轮机次末级叶片多处开裂，给机组安全稳定运行造成极大威胁，首先，建议对开裂叶片全部进行更换。此外，应排查其他叶片是否存在类似开裂现象，发现问题及时处理；其次，应加强机组汽水品质的监督，避免汽水介质中携带有腐蚀性Cl-，在叶片表面薄弱部位浓缩聚集形成点状腐蚀坑；再者，在检修时应重点检查是否存在个别喷嘴存在残缺、加工安装偏差大、节距不一、隔板结构和安装不良及转子动平衡不均匀等增大叶片激振应力的情况，以避免再次出现类似开裂事故。

参考文献：

[1]黎华,卢钟铭,刘课秀,等.火电厂汽轮机叶片开裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2017,53(3):197-200.

[2]岳苗,李锁才,等.某2Cr13不锈钢叶片裂纹原因分析[J].装备制造,2013,13(3):30-31.

[3]全国钢标准化技术委员会.汽轮机叶片用钢：GB/T 8732-2014[S].北京：中国标准出版社,2015.

作者简介：刘光耀，目前任职于华电电力科学研究院有限公司。

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