陳明科

摘 要：對某電廠汽輪機次末級葉片斷裂原因進行了分析。通過對葉片斷裂前運行參數(shù)、斷口形貌、化學成分、金相組織、理化試驗等方面的分析、研究，找出葉片斷裂的主要原因為葉片出汽側(cè)內(nèi)部存在異常淬硬組織，運行中該處在多種應力的作用下疲勞斷裂。在此基礎上提出相應的可行性建議。

關鍵詞：汽輪機;次末級葉片;斷裂;分析

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0178-02

汽輪機是電站機組的核心設備，其葉片擔負著將高溫蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械能的作用，整組葉片是在極為復雜的工作條件下長期運行的。汽輪機葉片在運行中不僅需承受高溫氧化腐蝕和拉力、扭力和振動應力等組成的復雜應力，還需承受因機組頻繁啟停、內(nèi)部氣流擾動、電網(wǎng)周波改變等因素帶來的交變載荷的作用，處于濕蒸汽區(qū)的葉片還要經(jīng)受化學腐蝕和水滴的沖蝕作用。由于汽輪機葉片斷裂事故給電廠帶來的損失和影響較大，所以對葉片斷裂事故的分析研究至關重要。

某火電廠1號汽輪機為高壓、單缸、沖動冷凝式汽輪機，型號C60-8.83/（1.233），容量60MW，葉片設計材質(zhì)為2Cr13。2018年7月，該機組汽輪機在運行中出現(xiàn)重大異常情況，被迫緊急停機檢修。事故發(fā)生前累計運行小時數(shù)約6.2萬小時，最后一次A級檢修時間為2016年4月。開缸檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機次末級葉片斷裂，為明確葉片斷裂原因和葉片的使用性能，對汽輪機低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片斷裂進行了失效分析。

1 試驗分析

1.1 葉片斷裂前運行參數(shù)

調(diào)閱葉片斷裂前機組的主要運行參數(shù)，機組在80%額定負荷附近穩(wěn)定運行，其蒸汽參數(shù)、真空度、汽輪機轉(zhuǎn)速、加熱器水位等均未出現(xiàn)異常波動，調(diào)查運行人員操作正常。

1.2 宏觀檢查

現(xiàn)場宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子末二級（第二十級）一根動葉片斷裂，葉片斷裂位置為葉片中間部位，見圖1。斷裂葉片甩出后已發(fā)生嚴重扭曲變形，運行中斷裂葉片甩出后造成了缸內(nèi)損毀，末三級葉片動、靜部分均受到不同程度的機械損傷。末級葉片頂部汽封上半部分脫落，半西側(cè)變形，末級葉片進汽側(cè)受蹭刮導致不同程度損傷。末二級葉片共34只出汽側(cè)損傷變形。斷裂葉片內(nèi)弧面存在橫向加工刀痕。

1.3 斷口分析

葉片斷口形貌見圖2。為便于分析，將斷口分為3個區(qū)域。從斷口形貌來看，斷面上存在較為明顯的疲勞貝紋，從疲勞紋路推斷：斷裂起源于出汽側(cè)拐角處（第1區(qū)），該區(qū)域斷面較粗糙，為快速啟裂部位;疲勞裂紋擴展區(qū)（中段部分，第2區(qū)）斷面較為平滑是疲勞裂紋區(qū)，由于運行中受到交變應力的作用下使該區(qū)域表面磨細成瓷狀，可見疲勞前沿線（貝殼紋路）的發(fā)展痕跡，前沿線向進汽側(cè)發(fā)展，為速度較慢的穩(wěn)定擴展區(qū)域;最終斷裂區(qū)（瞬斷區(qū)，第3區(qū)）位于進汽側(cè)端部，斷面不平整，與擴展區(qū)存在一明顯角度，為最終撕裂部位。

1.4 光譜分析

查閱相關技術資料，該葉片材質(zhì)為2Cr13馬氏體不銹鋼。采用牛津臺式直讀光譜儀（型號：FOUNDRY-MASTER Pro）對斷裂葉片進行化學成分檢測，結(jié)果見表1。由表1可見，其主要化學成分含量符合國標GB1220-2016對2Cr13的規(guī)定。

1.5 金相檢測

在緊挨斷面與斷面平行截取試樣進行微觀組織分析，拋光浸蝕后發(fā)現(xiàn)靠進汽側(cè)存在一明顯組織分界線。在葉片出汽側(cè)外弧表面一區(qū)域進行了拋光浸蝕，也發(fā)現(xiàn)存在與截面分界線相連的分界線，見圖3所示。對不同區(qū)域組織進行觀察發(fā)現(xiàn)，靠出汽側(cè)端部區(qū)域組織與其它區(qū)域存在明顯差異，見圖4～5。從組織形貌來看，靠出汽側(cè)端部組織為隱針馬氏體（細針狀高碳馬氏體組織），為淬火組織，范圍20mm×20mm;其它部位為回火馬氏體組織，組織較為均勻，為正常的組織，兩區(qū)域均發(fā)現(xiàn)夾雜物存在。

1.6 硬度檢測

針對金相檢測發(fā)現(xiàn)的兩種不同組織，使用華銀HV-1000A維氏硬度計分別對兩種組織形態(tài)的區(qū)域進行硬度檢測，檢測結(jié)果（系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為HB）見表2。從硬度檢測結(jié)果來看，隱針馬氏體組織區(qū)域硬度遠高于標準DL/T438-2016規(guī)定的2Cr13硬度范圍（212-277HB），其它部位硬度正常。

2 原因分析

通過理化試驗結(jié)果和事故前機組運行參數(shù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）葉片斷裂前機組各項運行參數(shù)正常，也沒有異常人工操作，結(jié)合開缸后的檢查情況，排除汽輪機過水造成葉片水沖擊斷裂的可能性。

（2）參照葉片的斷口形貌可以得出：第一區(qū)為啟裂源區(qū)，源區(qū)紋路粗糙，沒有貝殼紋，具有疲勞斷裂特征，為應力腐蝕區(qū);第二區(qū)為裂紋發(fā)展的后區(qū)，可見貝殼紋為疲勞斷面;第三區(qū)為最終拉斷區(qū)。

（3）造成葉片斷裂的主要原因為葉片出汽側(cè)存在組織異常區(qū)域，葉片斷裂源區(qū)存在20mm×20mm硬度及組織異常區(qū)域，該區(qū)域硬度遠高于標準要求值，組織為隱針馬氏體，脆性較大，具有快速啟裂特征，斷裂葉片內(nèi)弧面存在橫向加工刀痕，加劇應力集中，加快裂紋的萌生和發(fā)展。該區(qū)域正常組織與非正常組織的分界線是應力集中區(qū)域，葉片經(jīng)長期運行，因疲勞積累，使疲勞強度下降，裂紋自分界線起裂短時間內(nèi)迅速延伸至正常組織邊沿，逐漸切向延伸形成裂紋發(fā)展的后區(qū)，當疲勞裂紋發(fā)展接近第三區(qū)時，由于葉片有效截面不斷減小，增加了葉片的應力，在不足以抵抗多次交變應力的作用下，瞬間發(fā)生了斷裂。

3 處理與建議

（1）導致本次事故的直接原因是葉片內(nèi)部含有異常淬硬組織，因淬硬組織是材料局部微觀組織變化，無法通過外部宏觀檢查和無損探傷手段發(fā)現(xiàn)。此次斷口取樣發(fā)現(xiàn)的組織異常是通過實驗室金相檢測與硬度檢測相結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)的，檢修中不可能對每片葉片進行100%面積的金相分析檢查。目前無控制手段從源頭（葉片的冶金狀態(tài)的夾雜、加工中的熱處理規(guī)范否）進行質(zhì)量控制，檢修中無法通過宏觀檢查、無損檢測等方法發(fā)現(xiàn)淬硬組織?；谏鲜鲈?，結(jié)合缸內(nèi)葉片的損傷情況，建議更換末二級所有損傷的葉片，對末級損傷的葉片及其他損傷的靜葉片、汽封條等進行修復。

（2）由于機組已經(jīng)過2個大修周期，對于葉片局部異常組織（淬火組織）形成原因目前以無法確定。葉片斷裂處的異常組織可能在制造階段形成，比如裝配階段葉片變形矯正（熱整形，或冷矯正）均可以使局部組織產(chǎn)生變化，導致硬度升高，脆性增加;也可能在檢修中發(fā)生碰撞后熱冷矯正形成淬硬組織。在今后對汽輪機葉片檢修時需嚴格遵守工藝規(guī)程，杜絕檢修中因異物碰撞葉片造成葉片局部應力集中的隱患。對于新更換的葉片，要求生產(chǎn)廠家嚴格規(guī)范加工工藝過程，避免出現(xiàn)葉片表面留有加工刀痕、粗糙度不好、葉片扭轉(zhuǎn)接刀處不當?shù)饶芤饝械囊蛩亍?/p>

（3）加強對汽輪機轉(zhuǎn)子葉片金屬技術監(jiān)督，定期對低壓轉(zhuǎn)子末三級葉片、葉根和末級套裝葉輪軸向鍵槽部位進行無損探傷。由于末幾級低壓轉(zhuǎn)子長期經(jīng)受濕蒸汽的腐蝕和沖蝕，且應力狀態(tài)比較復雜，葉片和葉根處容易產(chǎn)生微裂紋，通過對葉片、葉根槽等相關部位進行無損檢測，可有效發(fā)現(xiàn)并及時消除已形成的宏觀缺陷和微觀缺陷。目前汽輪機葉片與葉根槽常用檢測方法為磁粉檢測、滲透檢測和常規(guī)超聲波檢測，近幾年新應用的陣列渦流檢測技術和相控陣檢測技術進一步提高了檢測效率和可靠性。

（4）加強機組運行監(jiān)督管理，改善運行條件，避免出現(xiàn)汽輪機負荷不穩(wěn)定、共振、水擊等造成葉片疲勞損傷;保持氣溫穩(wěn)定，防止汽溫過高或過低使高壓葉片的高溫疲勞損傷或最后幾級葉片濕蒸汽沖蝕加大;加強對汽水品質(zhì)的監(jiān)督控制，減少有害雜質(zhì)含量，防止葉片結(jié)垢腐蝕;加強運行人員事故判斷能力，發(fā)現(xiàn)汽輪機葉片斷裂時應及時停機處理，避免事故擴大。

4 結(jié)語

汽輪機葉片在高溫、高應力、腐蝕的惡劣條件下工作，其葉片斷裂是一件復雜的過程，往往有多種原因的作用和影響。通過對葉片斷裂的原因進行分析并采取相應的預防措施，可以有效增加汽輪機葉片運行可靠性，進而提高機組運行的安全性和經(jīng)濟型。

參考文獻

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