淺析低壓轉子裂紋缺陷修復

（四川華電內江發電廠，四川 內江 641005）

淺析低壓轉子裂紋缺陷修復

李 南

（四川華電內江發電廠，四川 內江 641005）

本文分析了低壓轉子裂紋缺陷的檢查方法及結果，對低壓轉子裂紋修復及改造方案進行了探討。

低壓轉子；應力腐蝕裂紋；修復

1 概述

金屬部件在應力和特定的腐蝕性介質共同作用下，被腐蝕并導致脆性破裂的現象，被稱為應力腐蝕破裂。超臨界機組應力腐蝕主要發生在2Cr13鋼制低壓葉片上，其斷口形貌呈顆粒狀，微觀形態是晶界裂紋，斷面上有滑移臺階，并有細小腐蝕坑。該腐蝕的應力是由于汽輪機高速轉動產生的離心拉應力和葉片的載荷所致。汽輪機由于在開停機過程中，離心應力會發生變化 ，在極低的應力情況下也可能發生應力腐蝕破壞。

某電廠3號機組為超臨界汽輪發電機組，主、再熱汽溫度537.8℃。在大修檢查中發現兩個低壓轉子存在著應力腐蝕裂紋，低壓B轉子的第2級部分圍帶，已經外移接觸到了靜止隔板，給機組的安全運行造成了威脅。

2 檢查方法及結果

在3號機組大修中，對低壓轉子進行了無損探傷檢查（NDE），在第2級和第3級葉輪輪緣的楔形榫部位采用超聲波（UT）探傷。檢查結果多項指標表明兩個低壓轉子存在著應力腐蝕裂紋。雖然探傷范圍只限于第2級和第3級，但低壓轉子各級都存在著不同范圍和程度裂紋見圖1。另一個較嚴重的問題是：低壓B轉子的第2級部分圍帶，已經外移接觸到了靜止隔板。

在低壓汽輪機中，干-濕相變區域是典型應力腐蝕開裂區域。正常運行中，第2級濕度極小，該級楔形榫的應力腐蝕開裂趨勢有限。

同時該廠還采用磁粉探傷（MT）復查裂紋的深度和長度。為證實低壓B轉子的UT檢查結果，拆卸了轉子鎖口葉片，以確定裂紋的位置和范圍。打磨后發現第2級葉輪靠近鎖口的中部棱邊和頂部棱邊裂紋在圓周上成一線分布。

在低壓B轉子第3級靠近鎖口處中部和頂部棱邊，對探傷指標第8和第10項的位置進行徹底打磨后，應力腐蝕裂紋清晰可見。

對低壓A轉子第3級也進行UT探傷，在第3級底部棱邊出現的問題最嚴重。經打磨后MT探傷顯示，裂紋最大深度為1.42cm，長6.35cm。

3 修復方案

對兩個轉子楔形榫的應力腐蝕裂紋，從短期和長期上考慮，修復方案如下：

a.不處理。

b.將鎖口葉片直接用銷子連結到葉輪上，以減少鎖口裂紋區域的荷載。

圖1 低壓汽輪機轉子應力腐蝕裂紋

圖2

圖3 楔形榫區域的有限元模型圖

c.采用鈦合金葉片降低載荷。鈦合金重量比普通鋼輕43%，更換葉片會引起轉子的質量不平衡，但卻可以減少載荷。

為選擇方案，采集了詳細的楔形榫的斷面幾何數據，并構建了第3級楔形榫有限元模型，也是楔形榫裂紋軌跡法向計算應力，見圖2。當額定轉速1800r/ min時，遠離鎖口處的應力分布垂直于裂紋平面。該圖也可作為葉根有限元模型，類似在頂部，中部和底部棱邊位置，葉片到葉輪的負荷轉移，但兩者之間處于無間隙或微小間隙。由圖2可見，裂紋的法向應力與裂紋的深度存在著一定的關系。

在修復中，首先評估了該轉子的殘余壽命。評估的第一步是估算該級運行工況的溫度和濕度。濕度是先決條件，除啟、停機變工況情況外，應力腐蝕裂紋不會發生在穩定工況下的過熱蒸汽狀態。當楔形榫處于滿負荷時，運行中的濕度就很容易使其產生應力腐蝕開裂。

然而，與預測的第2級入口處于干飽和蒸汽不同，低壓3級并沒有在運行期間處于濕態，這正好說明了第2級楔形榫的大量應力腐蝕裂紋和第3級鎖口區域的裂紋較輕。采用軟件模擬第3級楔形榫上每年1750h的運行時間，估算了三種修復方案的未來故障累計概率。

a.不處理方案。會導致鎖口葉片在運行1年后故障概率非常高。

b.將鎖口葉片直接用銷子連結到葉輪上的方案?？梢员ＷC5年以上的運行時間內故障幾率低于1%。

c.選擇用鈦合金葉片代替鎖口葉片組的方案。可以保證10年以上故障率低于0.01%。

根據以上故障概率統計分析，決定采用方案3。

4 改造方法

為減少修理費用和修復時間，決定不改動葉輪上的其他葉片。但由于新、舊材質密度不同，較輕的葉片可能在輪盤上產生較大的質量不平衡，從而影響轉子的振動。單根轉子兩個第3級楔形相位差正好180°，轉動時會產生不平衡力矩，因此需要進行動平衡處理。而每根轉子的兩個第3級都改成鈦合金葉片，也會使輪盤上總的不平衡量成倍增加?，F有可添加平衡質量的平面低壓1級和低壓4級，不足以加平衡質量。為抵消鈦合金葉片的質量減少引起的不平衡，在每輪盤5點和7點位置去掉了兩塊葉片。去掉了葉片需要對葉片組及圍帶進行評測，以判斷葉片自身頻率是否發生了改變。在低壓A轉子兩個輪盤還存在著拉筋的問題，也需要隨著葉片一同進行調整。由于去掉的兩塊葉片不能精確平衡鈦合金葉片組的質量減少，因此每個轉子在組裝前先進行低速動平衡以減少殘余不平衡量。兩個轉子允許的振動值必須保證通過臨界轉速和正常運行的工作轉速。

圖4

因為根部更高的應力和蒸汽中更高的含水量，第2級比第3級更容易產生腐蝕應力裂紋。第2級葉輪楔形榫裂紋較大，需重新設計葉片，改變葉輪的楔形榫結構，同時采用鈦合金葉片以減應力。為控制振動，對第2級葉片重新進行頻率測試和優化調頻。第2級的修復需要在原輪盤上重新加工楔形榫。首先拆卸下所有的葉片，打磨掉最深裂紋至裂紋根部，堆焊修復裂紋，然后重新加工。在第2級采用了長頸葉片，并在楔形榫徑向幾何尺寸進行改進，從而減小峰值應力，其目的在于：補償長葉片改動造成的附加重量；減少幾何尺寸結構造成的應力集中。這一改進可以降低峰值應力10%到15%。

轉子另一側也采用與第2級相同長頸葉片設計。為安裝長頸葉片，在轉子直徑方向進行車削，減小轉子直徑，并加工新的加工楔形榫。同時設計的新葉片的自身頻率遠離運行轉速。因為葉根部位發生了改變，所以需要考慮進行調頻。通常在設計過程中，應考慮葉型比例，圍帶結構，縮放長度，葉片數量等參數。另一個設計的特點是采用上下雙層圍帶鏈連接，取代了原有圍帶的雙重設計。下部圍帶在組裝時榫頭部位留有間隙，上部圍帶則與楔頭的上部緊密連接。這種結構增大了葉片振動阻尼，極大減輕振動，能抑制蒸汽流道激振引起的幾種基本類型振動，并提高振動的安全度。

以往經驗表明應力腐蝕裂紋通常首先發生鎖口位置。為避免修復后應力腐蝕裂紋的再次發生，采用了5塊鈦合金葉片。由于鈦合金葉片密度減少了43%，因而減少了葉輪的離心負荷。最后的修復工作還增加了轉子現場低速動平衡，以保證汽輪機啟動時平穩。

結語

整個低壓轉子修復工作歷時35天，修復后該汽輪機一次性啟動成功，振動值達到優良標準，整個修復效果令人滿意。

[1]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海：上?？茖W技術出版社，1993.

[2]高壓汽輪機檢修[M].北京：水利電力出版社，1979.

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