近年來(lái),隨著火電機(jī)組深度調(diào)峰等靈活性運(yùn)行方式的普及,電站大型汽輪機(jī)的運(yùn)行工況越來(lái)越復(fù)雜,機(jī)組的安全性面臨著巨大挑戰(zhàn),汽輪機(jī)故障,特別是葉片損傷及斷裂等事故頻發(fā)[1－4],影響了大型發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 

某熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中,其汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片發(fā)生斷裂,導(dǎo)致機(jī)組緊急打閘停機(jī)。該汽輪機(jī)為超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、空冷直接抽汽凝汽式供熱汽輪機(jī),其低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片材料為0Cr17Ni4Cu4Nb鋼,葉型長(zhǎng)度為352 mm。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該超臨界汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片的斷裂原因進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)建議,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察,對(duì)斷裂的低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：斷裂葉片為汽機(jī)側(cè)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片,其中一支葉片斷裂,自葉片根部平臺(tái)上方約20 mm處的葉型部位斷裂為兩部分,葉根部分仍鑲嵌于葉根槽內(nèi),葉型部分已掉入下缸,并將相鄰的多支次末級(jí)葉片和末級(jí)葉片擊打損傷；葉型中間無(wú)固定拉筋,葉根鑲嵌部位發(fā)生嚴(yán)重松動(dòng)。 

圖  1  斷裂葉片的宏觀形貌

對(duì)葉片斷口處進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：掉入下缸的葉片葉型部分已發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷形變,鑲嵌于葉輪上的葉根部分外形完好,未見(jiàn)明顯的機(jī)械損傷；葉片斷口整體較為齊平,未見(jiàn)明顯塑性變形；斷口表面銹蝕較為嚴(yán)重,但在斷口上的大部分區(qū)域仍可見(jiàn)眾多互相平行的“海灘狀”疲勞輝紋,觀察疲勞輝紋的擴(kuò)展及收斂方向,發(fā)現(xiàn)斷口的起裂區(qū)位于葉片出汽側(cè)邊緣處,瞬斷區(qū)位于葉片進(jìn)汽側(cè)；斷口上擴(kuò)展區(qū)的面積占比約為70%,瞬斷區(qū)的面積占比約為30%；葉片表面未見(jiàn)嚴(yán)重腐蝕坑或機(jī)械損傷等缺陷。 

圖  2  葉片斷口處的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂葉片上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂葉片中各主要合金元素的含量均符合GB/T 8732—2014 《汽輪機(jī)葉片用鋼》對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

對(duì)葉片斷口進(jìn)行超聲清洗,然后利用掃描電子顯微鏡對(duì)葉片斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：起裂區(qū)靠近葉片出汽側(cè)端部,表面齊平,未見(jiàn)明顯的腐蝕坑、夾雜物或機(jī)械損傷等缺陷；擴(kuò)展區(qū)可以觀察到眾多互相平行且間距細(xì)小的疲勞條帶,說(shuō)明葉片顫振形成的載荷較?。凰矓鄥^(qū)大部分區(qū)域呈韌性＋準(zhǔn)解理斷裂特征。 

圖  3  葉片斷口SEM形貌

利用X射線能譜儀對(duì)葉片斷口的起裂區(qū)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：起裂區(qū)未見(jiàn)含有Cl元素的腐蝕性產(chǎn)物。 

圖  4  起裂區(qū)的能譜分析結(jié)果

1.4   金相檢驗(yàn)

在葉片斷口處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：葉片的基體組織為回火馬氏體,未見(jiàn)粗大的淬硬馬氏體及嚴(yán)重δ鐵素體等異常組織,未見(jiàn)嚴(yán)重夾雜物缺陷[5]；起裂區(qū)及擴(kuò)展區(qū)裂紋均以穿晶斷裂的方式擴(kuò)展,未見(jiàn)晶粒拉長(zhǎng)畸變、沿晶開(kāi)裂形貌或夾雜物顆粒等缺陷。 

圖  5  斷裂葉片的金相檢驗(yàn)結(jié)果

1.5   硬度測(cè)試

在斷裂葉片上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂葉片的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732—2014的要求。 

2.   綜合分析

目前,蒙西電網(wǎng)新能源發(fā)電的裝機(jī)容量占比已達(dá)40%,傳統(tǒng)主力型火電機(jī)組的載荷水平普遍長(zhǎng)期處于40%～50% BMCR(最大連續(xù)出力工況),參與深度調(diào)峰的機(jī)組最低載荷會(huì)降至20%BMCR。大展弦比的汽輪機(jī)葉片,頻繁且長(zhǎng)期在低載荷工況下運(yùn)行,極易發(fā)生葉片顫振[6－8]。該汽輪機(jī)屬于大流量抽汽式汽輪機(jī),進(jìn)入冬季供暖期,大量中壓缸蒸汽會(huì)被抽走用于供熱,導(dǎo)致進(jìn)入低壓缸的蒸汽流量很低且隨載荷頻繁發(fā)生變化。當(dāng)進(jìn)入低壓缸蒸汽流量為20～120 t/h時(shí),葉片的顫振會(huì)更劇烈,顫振的頻率與葉片固有頻率一致時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振,從而引起葉片的疲勞斷裂。 

斷裂葉片為汽輪機(jī)側(cè)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片,葉型較長(zhǎng),中間無(wú)拉筋固定。此外,現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子正向和反向的次末級(jí)葉片普遍存在葉根與葉根槽裝配不緊密、松動(dòng)等問(wèn)題。在超低載荷及調(diào)峰等靈活性運(yùn)行工況下,葉根松動(dòng)會(huì)加劇葉片的顫振,進(jìn)而引發(fā)葉片的疲勞損傷。葉片斷裂的起裂區(qū)位于葉片出汽側(cè)邊緣,該位置為葉片幾何弦長(zhǎng)方向上尺寸最薄的區(qū)域,該區(qū)域抵抗疲勞開(kāi)裂的能力也最弱,在顫振引發(fā)的交變疲勞載荷作用下葉片易發(fā)生開(kāi)裂。斷裂葉片及其他次末級(jí)葉片表面未見(jiàn)明顯的腐蝕坑或機(jī)械損傷等缺陷。此外,起裂區(qū)的能譜分析結(jié)果顯示,未發(fā)現(xiàn)腐蝕性Cl－的存在,因此可以排除應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致?lián)p傷開(kāi)裂的因素。 

斷口上大部分區(qū)域呈“海灘狀”疲勞條帶形貌,擴(kuò)展區(qū)面積占比約為70%,且疲勞條帶尺寸及間隙細(xì)小,說(shuō)明在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中葉片承受的載荷較小,葉片的斷裂形貌為典型高周低應(yīng)力疲勞斷裂。 

在高比例波動(dòng)性新能源大規(guī)模接入的背景下,當(dāng)前火電機(jī)組普遍采用超低載荷及調(diào)峰等靈活性運(yùn)行方式[9－11],使抽汽式汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)汽量減少,特別是在深度調(diào)峰運(yùn)行工況下,低壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)葉片易發(fā)生異常顫振。 

3.   結(jié)論與建議

在超低載荷及調(diào)峰等靈活性運(yùn)行工況下,機(jī)組承受的載荷頻繁發(fā)生變化；供熱抽汽造成低壓缸進(jìn)汽量減少、汽流大幅波動(dòng),導(dǎo)致末端的長(zhǎng)葉片發(fā)生顫振；次末級(jí)葉片的葉根尺寸與葉根槽不匹配,使葉根松動(dòng)、葉片晃動(dòng),加劇了惡劣工況下葉片的顫振；在兩種因素的共同作用下,在葉片出汽側(cè)近葉根部位的應(yīng)力集中區(qū)域萌生了疲勞裂紋；在葉片顫振產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下,裂紋以疲勞的形式不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致葉片整體斷裂。 

建議更換低壓轉(zhuǎn)子正向和反向的次末級(jí)葉片,改變次末級(jí)葉片葉根與葉根槽的裝配方式,使之形成緊固的過(guò)渡配合或過(guò)盈配合。在整圈葉片間增設(shè)拉筋設(shè)計(jì),以保障運(yùn)行狀態(tài)下葉片的相對(duì)穩(wěn)固,盡可能減弱葉片的顫振。優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行的策略,避免靈活性運(yùn)行工況產(chǎn)生的汽流變化對(duì)低壓轉(zhuǎn)子末端長(zhǎng)尺寸葉片造成損傷。 

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