汽輪機零部件常見事故分析

車曉東 鄭文輝

（華能北方聯合電力有限責任公司海勃灣發電廠，內蒙古 烏海 016000）

1 汽輪機葉片事故分析

汽輪機葉片的損壞形式主要是疲勞斷裂。由于葉片工作條件惡劣，受力情況復雜，斷裂事故較常發生，且后果又較嚴重，所以對葉片斷裂事故的分析研究一直受到特別重視。按照葉片斷裂的性質，可以分為短期超載疲勞損壞、長期疲勞損壞、高溫疲勞損壞、應力疲勞損壞、腐蝕疲勞損壞、接觸疲勞損壞等六鐘。

1.1 長期超載疲勞損壞

這種損壞是指葉片受到外加較大應力或受到較大激振力，而振動次數低于107次就發生斷裂的機械疲勞損壞。如葉片受到水擊而承受較大的應力，或因轉子不平引起振動及安裝不良存在周期力等較大的低頻激振力，當這些力引起葉片共振時，葉片會很快斷裂。

葉片短期超載疲勞損壞的宏觀特征為：斷面粗糙，疲勞前沿線（即貝殼紋）不明顯，斷面上疲勞區面積小于最終靜撕斷區面積；經受水擊而損壞的葉片的斷面呈"人"字形紋絡特征。

防止短期超載疲勞損壞的主要方法是：防止水擊，作好消除低頻共振的調頻及在正常周波下運行。

1.2 長期疲勞損壞

長期疲勞損壞是指葉片運行中承受低于疲勞強度極限而應力循環次數又遠高于107次發生的一種機械疲勞損壞。

造成長期疲勞損壞的原因有：葉片或葉片組在高頻激振力作用下引起的共振損壞；葉片表面缺陷處出現局部應力集中而發生的疲勞損壞；低頻率運行、超負荷運行使某些級的葉片應力升高導致提早損壞等等。長期疲勞損壞在電廠葉片斷裂事故中最為常見。

防止長期疲勞損壞的辦法是：按規定避開高頻激振力共振范圍，提高葉片加工質量和改善運行條件。如防止低周波、超負荷運行，防止腐蝕和水擊等。

1.3 高溫疲勞損壞

高溫疲勞損壞是指由蠕變和疲勞共同作用所形成的介于靜應力產生的蠕變和動應力產生的疲勞之間的一種損壞形式。裂紋源部位呈蠕變現象，斷裂性質為持久斷裂和疲勞斷裂的組合，而且往往伴隨著材料組織的變化。

高溫疲勞損壞裂紋基本上是穿晶的，斷口宏觀貌有貝殼花紋，斷口微觀貌有較厚的氧化皮。

高溫疲勞損壞發生在高壓缸前幾級葉片、中間再熱式汽輪機中壓缸前幾級葉片以及中壓汽輪機的調速級葉片。

防止高溫疲勞損壞的主要措施是：選用高溫性能好的金屬來制造處于高溫下工作的葉片，防止葉片共振，防止葉片徑向和軸向相摩擦等。

1.4 應力腐蝕損壞

產生應力腐蝕的主要原因是：首先，金屬晶界偏析，析出碳化物，出現貧鉻區，使晶界腐蝕；其次，應力作用；然后，高濃度鹽的腐蝕。應力腐蝕主要發生在2Cr13鋼制造的末級葉片上。其斷口形貌呈顆粒狀，微觀形態是沿界裂紋，斷面上有滑移臺階，并有細小腐蝕坑。

防止葉片應力腐蝕損壞的只要措施是：改善汽水品質、提高葉片材質、降低葉片動應力等。

1.5 腐蝕疲勞損壞

腐蝕疲勞損壞是葉片在腐蝕介質中受交變應力作用而引起的疲勞損壞。如損壞是以機械疲勞為主，則裂紋發展迅速，裂紋為穿晶型；如損壞是以應力腐蝕為主，則裂紋發展較慢，裂紋主要是沿晶型。

防止腐蝕疲勞損壞的主要措施是：提高葉片材質耐腐蝕性；降低交變應力水平；改善汽水品質。

1.6 接觸疲勞損壞

接觸疲勞損壞是由于葉片根部松動，葉根參加振動，使葉根之間或葉片與葉輪機接觸面產生往復微量相對摩擦運動而造成的一種機械損壞。

由于摩擦表面材料晶體滑移和硬化，使硬化區內產生許多平行的顯微裂紋，并不斷擴展，從而引起疲勞斷裂。

摩擦裂紋和摩擦硬化現象同時并存是接觸疲勞損壞的主要基本特征。摩擦硬化和摩擦裂紋僅存于接觸部位表面。

防止接觸疲勞的主要措施是：改善葉片接觸面的緊貼程度，增加接觸面積以防止接觸點接觸的應力集中，消除或減弱調頻葉片的振動力。

2 汽輪機轉子金屬事故分析

轉子在運行過程中要承受扭距和自重引起的彎應力、溫度梯度和溫度變化的熱應力、離心力、熱套力、振動力和發電機短路力距，其工作條件十分惡劣。

汽輪機轉子的金屬事故主要是葉輪、主軸（轉子）的變形及開裂。

2.1 主軸（轉子）的塑性變形

汽輪機出廠時的殘余應力過大，運輸、安裝不當以及運行中暖機不充分，動靜部分相摩擦，水擊和滿水等原因，都有可能導致大軸產生永久變形，一旦出現這種情況決不能強行升速，而應停機后直軸。

直軸方法：對小型碳鋼轉子可采用局部加熱反變形校直；對大功率合金鋼轉子多采用“松弛法”。

2.2 轉子的斷裂

轉子斷裂將造成嚴重事故，應引起十分重視。斷裂的起因是出現裂紋。轉子發現第一條宏觀裂紋，在大型汽輪機中往往作為汽輪機工作壽命結束的標志。轉子產生裂紋的原因主要有以下幾點：

2.2.1 在熱交變應力（低頻熱應力）和蠕變聯合作用下出現裂紋；

2.2.2 截面交界處過渡圓角偏小、存在刀痕等原因會導致機械應力或熱應力集中，在交變應力作用下產生裂紋；

2.2.3 材質不良，存在嚴重冶金缺陷而導致裂紋產生；

2.2.4 運行不當而引起損壞。如啟、停機，變負荷等情況下，溫度變化率及溫度變化量過大，引起熱應力過大等。

2.3 葉輪的開裂

葉輪開裂主要出現在低壓級。由于葉輪直徑大，離心力大，長期運行中鍵槽處由于應力集中容易出現裂紋，，裂紋發展到一定深度會引起整個葉輪飛裂。葉輪開裂與下列因素有關：

2.3.1 鍵槽處加工質量差，應力集中處往往易生成裂紋并發展；

2.3.2 葉輪材料性能差，韌性及塑性低，脆性大，加速了裂紋擴展；

2.3.3 停機后維修保養不當，或水腐蝕造成應力腐蝕。

防止葉輪開裂的措施：注意停機后的保養，防止腐蝕；提高冶金及加工質量；加強探傷檢查等。

3 汽缸的變形及裂紋

汽缸截面厚度變化大，進汽端形狀復雜，特別是法蘭處厚度非常大，因此在運行過程中汽缸內外壁、法蘭內外壁溫差懸殊，生成的熱應力就非常大，加之溫度變化時又受到熱交變應力作用，同時，汽缸內還承受蒸汽壓力、靜止部分的重力作用，工作條件十分惡劣，并且，由于形狀復雜、厚薄相差懸殊、尺寸大等原因，不可避免存在鑄造缺陷，所以，汽缸容易發生變形和開裂的金屬事故。

3.1 造成汽缸變形的主要原因如下

3.1.1 運行中汽缸壁內外、法蘭內外溫差較大，造成法蘭結合面漏氣；汽缸上、下溫差過大導致動靜部分相摩擦或振動；

3.1.2 汽缸去應力退火不當，或運行中滿水、水擊等，都會引起變形；

3.1.3 汽缸在高溫下工作，各部分溫度不同，蠕變速度不一，從而引起變形。

3.2 造成汽缸開裂的主要原因如下：

3.2.1 汽缸長期在高溫下運行，出現蠕變，脆性增加；

3.2.2 冶金過程中鑄件內部出現裂紋、白點、夾渣等，是造成蠕變裂紋和熱疲勞裂紋的根源；

3.2.3 熱處理不當導致材料組織不均勻，而使持久強度和持久塑性下降；

3.2.4 長期高溫運行使汽缸材料組織發生變化；運行中的低頻熱應；力和蠕變的聯合作用更易出現裂紋。

3.2.5 對于出現裂紋的汽缸可采用徹底挖除裂紋并進行補焊的方法加以消除。

[1]周順深.汽輪機零部件損壞及其壽命評定[J].發電設備，1990-04-01.