石泉江

(中國(guó)人民解放軍92730部隊(duì)，湖南三亞 572016）

某汽輪發(fā)電機(jī)組復(fù)速級(jí)第二級(jí)動(dòng)葉片斷裂故障分析

石泉江

(中國(guó)人民解放軍92730部隊(duì)，湖南三亞 572016）

某汽輪機(jī)3片復(fù)速級(jí)第二級(jí)動(dòng)葉片發(fā)生斷裂故障，經(jīng)宏觀檢查、葉片材料性能分析、有限元分析及疲勞壽命對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，葉片根部倒圓加工尺寸偏小和葉片材料夾雜物局部偏聚是導(dǎo)致葉片疲勞斷裂的主要原因，經(jīng)提高葉片材料夾雜物等級(jí)和葉根倒圓加工精度，重新定做并更換葉片后，機(jī)組連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明，機(jī)組運(yùn)行正常，故障消除。

復(fù)速級(jí);葉片斷裂;加工精度;疲勞壽命;夾雜物等級(jí)

0 引言

2011年3月14日，某2#汽輪發(fā)電機(jī)組突然出現(xiàn)振動(dòng)增加，并伴隨內(nèi)部有碰擦聲。經(jīng)檢查機(jī)組復(fù)速級(jí)第一級(jí)葉片無(wú)異常損傷，復(fù)速級(jí)第二級(jí)動(dòng)葉片有斷裂，并卡塞在復(fù)速級(jí)第二級(jí)葉片和復(fù)速級(jí)出口的護(hù)環(huán)之間，編號(hào)分別為72#，73#和74#葉片。對(duì)于T型葉根的葉片來(lái)說(shuō)，一般情況下主要有2個(gè)危險(xiǎn)截面:1個(gè)為上部危險(xiǎn)截面，1個(gè)為下部危險(xiǎn)截面。本次故障斷裂的3片葉片中有2片在下部危險(xiǎn)截面處 (編號(hào)分別為72#和74#葉片），1片在上部危險(xiǎn)截面處 (編號(hào)為73#），如圖1所示。

圖1 斷裂葉片實(shí)物圖Fig.1 The objective picture of the rupture blades

為此對(duì)葉片的斷裂原因進(jìn)行技術(shù)分析。

1 動(dòng)葉片的受力分析

在靜強(qiáng)度考核條件下，動(dòng)葉片所受的力簡(jiǎn)化后可以認(rèn)為主要由離心力Cn、軸向氣流力Pa、周向氣流力Pu以及離心力在各個(gè)考核截面上所受的偏心彎應(yīng)力矩 (形成偏心彎應(yīng)力）組成，受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。由于離心力Cn的數(shù)量級(jí)往往比氣流力Pa和Pu高出好幾倍，離心力也成為決定性的影響因素。因此，在進(jìn)行靜強(qiáng)度考核時(shí)，葉根部分面積最小的截面 (即圖2中所示的下截面）將成為最危險(xiǎn)截面 (在后續(xù)工作中的上危險(xiǎn)截面即表示此處的上截面，而下危險(xiǎn)截面則表示此處的下截面）。

圖2 動(dòng)葉片受力分析簡(jiǎn)圖Fig.2 The simple graph ofmechanical analysis for the rotor blades

圖3 上下2個(gè)截面上振動(dòng)應(yīng)力示意簡(jiǎn)圖Fig.3 The schematic plan of vibration stress on the two dangerous cross-section

從宏觀上看，在疲勞考核過(guò)程中，由于上截面更靠近葉身型線部分，且葉片安裝過(guò)程中會(huì)在葉片的中間件部分形成一定的安裝預(yù)緊力，相對(duì)于下截面來(lái)說(shuō)紊亂氣流造成的振動(dòng)應(yīng)力更容易傳遞到上截面，當(dāng)振動(dòng)應(yīng)力傳遞至下截面處時(shí)各種阻尼的作用則已經(jīng)衰減很多，因此上截面所受到的振動(dòng)應(yīng)力往往較下截面的振動(dòng)應(yīng)力要大。但下截面所受的拉彎合成應(yīng)力一般要比上截面大，如此則形成了下截面上拉彎合成應(yīng)力高而動(dòng)應(yīng)力低，上截面拉彎合成應(yīng)力低而動(dòng)應(yīng)力高的局面，如圖3所示。因此在疲勞考核過(guò)程中，上下2個(gè)截面中哪個(gè)截面是最危險(xiǎn)截面必須在進(jìn)行綜合計(jì)算評(píng)估后方能確定。

2 相關(guān)復(fù)查

從制造廠提供的資料來(lái)看，其葉片材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足要求。而磁粉探傷結(jié)果以及檢驗(yàn)手續(xù)、超差回用等情況也滿(mǎn)足技術(shù)要求，但在葉根關(guān)鍵倒圓的加工精度上存在較多的超差現(xiàn)象，即圖4中的A1，A2和A3處倒圓尺寸存在超差現(xiàn)象。

圖4 葉根關(guān)鍵倒圓示意圖Fig.4 The schematic plan of the key rounding on the hub zone of the blade

從復(fù)查結(jié)果來(lái)看，生產(chǎn)制造過(guò)程中的葉根關(guān)鍵倒圓加工尺寸有超差顯現(xiàn)，但其對(duì)葉片的強(qiáng)度和疲勞的影響大小，也將結(jié)合后續(xù)的計(jì)算進(jìn)行分析。

3 葉片材料性能分析

通過(guò)對(duì)斷裂葉片的宏觀檢測(cè)分析、化學(xué)成分測(cè)試、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、斷口綜合分析、微觀組織結(jié)構(gòu)觀察、微區(qū)元素分析、夾雜物分析、粗糙度測(cè)試、透射電鏡分析、氫含量測(cè)試以及內(nèi)部裂紋分析后發(fā)現(xiàn):

1）通過(guò)宏觀和微觀斷口觀察分析，結(jié)果表明73#葉片斷口表面覆蓋有較厚的氧化產(chǎn)物層，斷口整體平滑，呈脆斷特征，在3片失效葉片中最早發(fā)生斷裂，失效模式為由于疲勞產(chǎn)生的斷裂，裂紋源起始于出汽側(cè)內(nèi)緣和進(jìn)汽側(cè)外緣，疲勞裂紋源為應(yīng)力集中引起;

2）葉片材料的化學(xué)成分符合ZBK54023－88的要求，葉片鋼材料夾雜物評(píng)級(jí)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但在部分區(qū)域可見(jiàn)夾雜物偏聚或成線狀分布。

3）斷裂葉根表面存在一定深度的機(jī)械加工刀痕;

4）采用熒光和超聲等無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)其他未失效葉片檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4 計(jì)算復(fù)核

對(duì)復(fù)速級(jí)第二級(jí)動(dòng)葉片的設(shè)計(jì)尺寸模型 (葉根尺寸為設(shè)計(jì)尺寸）和加工尺寸模型 (葉根尺寸為實(shí)際加工尺寸）從強(qiáng)度、振動(dòng)以及疲勞壽命等方面采用傳統(tǒng)計(jì)算方法和有限元計(jì)算方法分別進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

在額定轉(zhuǎn)速6 521 r/min工作狀態(tài)下，經(jīng)靜態(tài)計(jì)算，計(jì)算模型中復(fù)速級(jí)第二級(jí)葉片中間葉片的綜合應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示，其中最大應(yīng)力值為554 MPa，而葉片在常溫下的屈服極限值為441 MPa，且從圖中也可以看出最大應(yīng)力超過(guò)441 MPa的區(qū)域主要集中在葉根下危險(xiǎn)界面的倒圓處，此部分的葉片材料應(yīng)該已經(jīng)發(fā)生塑性變形，因此應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的葉片塑性計(jì)算。

同時(shí)，還對(duì)加工尺寸葉片模型進(jìn)行應(yīng)力分布計(jì)算，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表1所示 (其中位置1為葉根下危險(xiǎn)截面進(jìn)汽側(cè)，位置2為葉根下危險(xiǎn)截面出氣側(cè)，位置3為葉根上危險(xiǎn)截面出氣側(cè)，位置4為葉根上危險(xiǎn)截面進(jìn)汽側(cè)）。

圖5 設(shè)計(jì)尺寸葉片葉根下危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力分布Fig.5 The stress distribution graph of the under dangerous cross-section near the hub zone of blade with projected dimension

圖6 設(shè)計(jì)尺寸葉片葉根上危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力分布Fig.6 The stress distribution graph of the upper dangerous cross-section near the hub zone of blade with projected dimension

表1 葉片有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Tab.1 The calculation result of FEM for the blades

從以上計(jì)算結(jié)果中可知:葉根倒圓加工尺寸偏小加劇了葉根處的應(yīng)力集中水平，葉根下危險(xiǎn)截面兩側(cè)倒圓 (位置1和位置2）的應(yīng)力集中水平最高，超過(guò)了葉片材料的屈服極限，并發(fā)生了一定范圍的塑性變形，形成葉片低周疲勞的概率較大。

上危險(xiǎn)截面兩側(cè)倒圓處的應(yīng)力水平處于彈性范圍內(nèi)，若產(chǎn)生疲勞破壞則高周疲勞的概率較大;上危險(xiǎn)截面位置3的應(yīng)力水平較位置4的高，若上危險(xiǎn)截面產(chǎn)生疲勞破壞，則位置3首先破壞的概率較大，此分析與葉片失效分析所得的疲勞源位置較為吻合。

由葉片的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果可知:葉片在工作轉(zhuǎn)速6 521 r/min下，葉根最大應(yīng)力都發(fā)生在葉根的下危險(xiǎn)截面進(jìn)汽側(cè)倒圓處 (即位置1處），且局部應(yīng)力已經(jīng)進(jìn)入材料的塑性變形區(qū)，如其發(fā)生疲勞則主要發(fā)生低周疲勞，因此在做低周疲勞壽命評(píng)估時(shí)將主要以葉根下危險(xiǎn)截面進(jìn)汽側(cè)倒圓處 (位置1處）的最大應(yīng)力來(lái)進(jìn)行評(píng)估。

由動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果可知，葉根下危險(xiǎn)截面兩側(cè)倒圓處 (即位置1和位置2）的振動(dòng)應(yīng)力相對(duì)較小，而靜應(yīng)力相對(duì)較大，超過(guò)材料的屈服極限，一般不會(huì)引起高周疲勞破壞;而葉根上危險(xiǎn)截面兩側(cè)倒圓處 (即位置3和位置4）的動(dòng)應(yīng)力較大，且靜應(yīng)力處于彈性范圍內(nèi)，如發(fā)生疲勞破壞則高周疲勞的概率較大，因此在做高周疲勞壽命分析時(shí)，主要針對(duì)葉根上危險(xiǎn)截面的兩側(cè)倒圓處 (位置3和位置4）進(jìn)行高周疲勞壽命評(píng)估。

表2和表3分別給出了葉片根部關(guān)鍵位置處的疲勞壽命評(píng)估對(duì)比結(jié)果。

表2 汽輪機(jī)葉片低周疲勞壽命評(píng)估結(jié)果Tab.2 The evaluation result of the low-cycle fatigue life for the blades

表3 汽輪機(jī)葉片高周疲勞壽命評(píng)估結(jié)果Tab.3 The evaluation result of the high-cycle fatigue life for the blades

從評(píng)估結(jié)果可看出:

1）由于葉根倒圓的加工尺寸偏小加劇了葉根處的應(yīng)力集中水平，導(dǎo)致加工尺寸葉片各個(gè)關(guān)鍵位置處的振動(dòng)應(yīng)力普遍比設(shè)計(jì)尺寸葉片的大;計(jì)算中所取的加工尺寸葉片在相同條件下的高周疲勞壽命約為設(shè)計(jì)尺寸葉片的25%左右，低周疲勞壽命約為設(shè)計(jì)尺寸葉片的18%～23%左右。

2）葉根上危險(xiǎn)截面兩側(cè)倒圓處 (即位置3和位置4）的振動(dòng)應(yīng)力普遍比下危險(xiǎn)截面兩側(cè)倒圓處(即位置1和位置2）的振動(dòng)應(yīng)力水平高，在相同條件下形成葉片高周疲勞的概率較大;且位置3的高周疲勞壽命比位置4的壽命略小，在上危險(xiǎn)截面疲勞破壞時(shí)，位置3首先疲勞破壞的概率更大，與葉片失效分析中的疲勞源位置吻合。

3）葉根下危險(xiǎn)截面兩側(cè)倒圓處 (即位置1和位置2）的靜應(yīng)力水平較高，超過(guò)了材料的屈服極限σs，形成葉片低周疲勞的概率較大，且位置1的低周疲勞壽命比位置2的壽命低。在下危險(xiǎn)截面破壞時(shí)，位置1首先疲勞破壞的概率更大。

5 整改措施

根據(jù)上述分析，廠方提高了葉片加工材料的夾雜物偏聚等級(jí)，并加強(qiáng)了葉片根部倒圓尺寸的加工控制，重新定做一批新葉片，在更換復(fù)裝后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，后續(xù)的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明:機(jī)組運(yùn)行正常，故障消除。

6 結(jié)語(yǔ)

某汽輪機(jī)復(fù)速級(jí)葉片斷裂后，通過(guò)對(duì)葉片的受力原理分析、葉片拆檢復(fù)查、葉片材料性能分析、有限元分析以及葉片疲勞壽命的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，葉片根部上危險(xiǎn)截面倒圓處的加工尺寸偏小，導(dǎo)致葉片根部危險(xiǎn)界面處局部區(qū)域應(yīng)力集中，同時(shí)葉片材料存在局部區(qū)域夾雜物偏聚現(xiàn)象，在交變動(dòng)應(yīng)力作用下導(dǎo)致葉片根部危險(xiǎn)截面處出現(xiàn)疲勞裂紋，并最終斷裂;理論分析與實(shí)際斷裂現(xiàn)象相符，后通過(guò)提高葉片加工材料的夾雜物偏聚等級(jí)和加強(qiáng)葉片根部倒圓尺寸的加工精度，重新定做葉片，更換后機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組運(yùn)行正常，故障消除。

［1］吳守尊，陳功，何艷春，等.N25汽輪機(jī)葉片斷裂事故分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48(2）:127 －128.

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Analysis and treatment on blade rupture failure near velocity-compounded stage of steam turbine-generator sets

SHIQuan-jiang
(No.92730 Unit of PLA，Sanya 572016，China）

A rupture failure was appearred on the second row's blade near the vecolity-compounded stage of a steam turbine-genetator sets.After the genearal check，the static stress characteristic，and the materialmeasure characteristic were obtained，the high-frequency fatigue life and the low-frequency fatigue life of the bladeswere analyzed with contradistinctive calculation.The results of analysis indicated that the fillets'process sizes near the hub zone of those bladeswere too small and the level of the inclusion in these blades'meterial were the main reason of the blade rupture.The steam turbine-generator had achieved the repair job through themethods such as the blade replace，enhanced the process precision and the level of the inclusion in these blades'meterial.The results of the operatin test shown that the steam tubine-generator sets run normally，libration steadily，and the failure was solved.

blade near vecolity-compounded stage;rupture failure of blade;process precision;fatigue life;level of the inclusion in these blades'meterial

U664.113

A

1672－7649(2013）03－0064－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.014

2012－05－17;

2012－06－16

石泉江(1972－），男，本科，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電管理。