薛永鋒，張吉榮，常 強(qiáng)

(1．國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110102； (2．國能吉林江南熱電有限公司，吉林 吉林 132000)

葉片是汽輪機(jī)中數(shù)量和種類最多的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)型線、工作狀態(tài)直接影響能量轉(zhuǎn)換的效率，因此其加工精度要求高。由于葉型的氣動(dòng)特性對機(jī)組的效率有很大影響，且葉片的工作條件很復(fù)雜，除因高速旋轉(zhuǎn)和汽流作用而承受較高的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力外，還因其分別處在過熱蒸汽區(qū)、兩相過渡區(qū)和濕蒸汽區(qū)段內(nèi)工作而承受高溫、高壓、腐蝕和沖蝕作用。故葉片事故在汽輪機(jī)事故中所占的比例較大，嚴(yán)重地威脅著機(jī)組的安全運(yùn)行[1]。

2000年以前生產(chǎn)的進(jìn)口機(jī)組或國產(chǎn)機(jī)組，由于設(shè)計(jì)原因或生產(chǎn)加工精度原因?qū)е铝硕嗥鹑~片斷裂事故[2-11]。近年來隨著汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造水平的提升，數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用[12-16]，葉片斷裂事故大幅減少，但由于深度調(diào)峰頻繁，機(jī)組運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片工作條件更加惡劣，葉片斷裂事故偶有發(fā)生。本文以某國產(chǎn)330 MW機(jī)組發(fā)生中壓缸次末級動(dòng)葉斷裂事故為例，對葉片斷口宏觀形貌、金屬試驗(yàn)和斷裂葉片運(yùn)行環(huán)境等方面綜合分析，導(dǎo)致葉片斷裂的主要原因?yàn)榈蛻?yīng)力高周疲勞。

1 故障過程

某國產(chǎn)330 MW機(jī)組葉片發(fā)生事故前，機(jī)組帶負(fù)荷約160 MW運(yùn)行，高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)突然增大，其中1X、1Y軸振達(dá)到650 μm，1瓦瓦振達(dá)到120 μm，機(jī)組保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。停機(jī)后，盤車投入正常，盤車電流正常，現(xiàn)場對高中壓缸聽音檢查無異常，高中壓轉(zhuǎn)子晃度值正常。

當(dāng)日下午電廠嘗試啟動(dòng)機(jī)組。啟動(dòng)前，盤車正常，缸體聽音檢查無異常，各項(xiàng)參數(shù)均符合規(guī)程要求。機(jī)組啟動(dòng)后，升速至1200 r/min時(shí)，1瓦軸振達(dá)到110 μm，隨即打閘停機(jī)。掛閘再次嘗試升速，轉(zhuǎn)速升至1100 r/min時(shí)1瓦軸振超過100 μm，手動(dòng)打閘停機(jī)。

揭缸后發(fā)現(xiàn)中壓轉(zhuǎn)子次末級(第6級)動(dòng)葉片斷裂1片，相鄰2片葉片損傷。葉片斷口在葉片根部，葉片斷裂圖見圖1。

2 葉片斷口宏觀形貌

斷裂葉片殘留在輪緣內(nèi)的葉根部分表面及銷釘孔邊緣存在摩擦痕跡，斷口較為平整，沒有明顯的塑形變形。斷口分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)3個(gè)明顯區(qū)域。裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)可見明顯的貝殼狀疲勞弧線，裂紋源起于葉根上端面與輪緣接觸的底腳位置，為典型的疲勞斷裂斷口。送檢斷裂葉根宏觀形貌見圖2，斷裂葉片的宏觀形貌見圖3。

3 金屬試驗(yàn)分析

3.1 化學(xué)成分分析

葉片材質(zhì)為1Cr12Mo。合金元素含量分析結(jié)果見表1。

表1一并列出GB/T 8732-2014中1Cr12Mo鋼的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值，比較可見，送檢葉根合金元素含量符合1Cr12Mo標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 常溫拉伸性能試驗(yàn)

在送檢斷裂葉根上沿縱向取樣進(jìn)行常溫拉伸性能試驗(yàn)、沖擊韌性試驗(yàn)以及布氏硬度試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2一并列出GB/T 8732—2014中1Cr12Mo鋼的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值。比較可見，送檢斷裂葉根力學(xué)性能滿足1Cr12Mo鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 金相分析

在裂紋源附近及基體上取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，裂紋源附近未見明顯機(jī)械損傷或腐蝕痕跡，金相組織為回火索氏體，與基體組織無明顯差別，葉根裂紋源處金相組織見圖4，葉根基體金相組織見圖5。

圖4 葉根裂紋源處金相組織

圖5 葉根基體金相組織

4 葉片斷裂分析

a.通過光譜分析及力學(xué)性能試驗(yàn)可知，送檢葉根合金元素含量及力學(xué)性能指標(biāo)均滿足GB/T 8732—2014對1Cr12Mo鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，由此可排除由于材料材質(zhì)錯(cuò)用或材料性能不合格而導(dǎo)致斷裂的可能。

b.葉片斷裂位置位于葉片根部最大靜應(yīng)力截面，該截面在葉片強(qiáng)度校核時(shí)僅進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，斷裂葉片斷口最終拉斷區(qū)僅占整個(gè)截面積的1/5左右，表明葉根靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)裕量足夠。葉片斷口呈典型疲勞特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)表面較平滑且有明顯的貝殼狀疲勞弧線，瞬斷區(qū)所占面積很小，斷裂應(yīng)屬于低應(yīng)力高周疲勞，裂紋擴(kuò)展至斷裂時(shí)間相對較長。

c.中壓缸次末級葉片葉根型式為倒“T”型葉根，在葉片裝配時(shí)要求相鄰葉根間緊密接觸，總接觸面積不小于75%總面積，相鄰兩葉根間隙不能插入0.03 mm塞尺。上述對葉片裝配的要求，其目的是使葉根之間緊密接觸，起到止振的作用，防止葉身振動(dòng)下傳，避免葉片根部承受動(dòng)應(yīng)力。

d.如果葉片安裝質(zhì)量不好，葉根之間不能緊密接觸導(dǎo)致葉片根部松動(dòng)，造成葉身振動(dòng)下傳至葉根，使葉根之間接觸面產(chǎn)生往復(fù)微量相對摩擦運(yùn)動(dòng)而造成的一種機(jī)械損壞。由于摩擦表面材料晶體滑移和硬化，使硬化區(qū)內(nèi)產(chǎn)生許多平行的顯微裂紋，并不斷擴(kuò)展，從而引起疲勞斷裂。

e.由于中壓缸次末級(第6級)為中壓旋轉(zhuǎn)隔板后第1級，在深度調(diào)峰工況下為了保證工業(yè)抽汽質(zhì)量需要通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)隔板開度來保證工業(yè)抽汽參數(shù)。在機(jī)組負(fù)荷較低，工業(yè)抽汽流量較大的工況下，中壓缸后2級葉片所面臨工況偏離設(shè)計(jì)工況較多。同時(shí)低負(fù)荷工況通過頻繁調(diào)整中壓調(diào)門開度保證冷再工業(yè)抽汽壓力也會(huì)導(dǎo)致中壓缸內(nèi)蒸汽膨脹做功過程與設(shè)計(jì)工況偏差較大。深度調(diào)峰工況下以上2種工業(yè)抽汽參數(shù)調(diào)整手段都可能使中壓缸運(yùn)行環(huán)境偏離設(shè)計(jì)工況較大，從而使葉片產(chǎn)生顫振，長期運(yùn)行后導(dǎo)致葉片根部應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展。

5 結(jié)論

a.通過光譜分析及力學(xué)性能試驗(yàn)可排除由于材料材質(zhì)錯(cuò)用或材料性能不合格而導(dǎo)致葉片斷裂的可能。

b.本次葉片斷裂的主要原因是葉片安裝質(zhì)量不好，葉根之間不能緊密接觸導(dǎo)致葉片根部松動(dòng)，造成葉身振動(dòng)下傳至葉根，使葉根之間接觸面產(chǎn)生往復(fù)微量相對摩擦運(yùn)動(dòng)而造成的一種機(jī)械損壞。由于摩擦表面材料晶體滑移和硬化，使硬化區(qū)內(nèi)產(chǎn)生許多平行的顯微裂紋，并不斷擴(kuò)展，從而引起疲勞斷裂。

c.本次葉片斷裂的另一可能原因是機(jī)組頻繁在深度調(diào)峰工況帶工業(yè)抽汽運(yùn)行，導(dǎo)致中壓缸運(yùn)行環(huán)境偏離設(shè)計(jì)工況較大，從而使葉片產(chǎn)生顫振，長期運(yùn)行后導(dǎo)致葉片根部應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展。

d.對于工業(yè)抽汽流量較大的機(jī)組，建議進(jìn)行高中壓缸旁路供熱改造，增加深度調(diào)峰工況下供熱手段，滿足深度調(diào)峰工況下工業(yè)抽汽流量和參數(shù)的需求。