汽輪機葉片斷裂機理分析

　李海鵬

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

汽輪機葉片斷裂機理分析

李海鵬

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

汽輪機葉片的斷裂是在工作中經常發生的故障，如果發生故障就會造成很嚴重的問題，所以要改變這一現狀，對汽輪機葉片斷裂機理進行細致的分析，并且找到合適的防護措施來解決汽輪機在工作過程中可能存在的問題，從而一定程度上減少危險的發生。

汽輪機葉片；斷裂機理；防護措施

汽輪機葉片是指汽輪機中對動靜葉片用鋼的總稱，要求其要足夠的堅韌，而且制作工藝要好。汽輪機葉片在工作的時候會受到高溫、高壓以及蒸汽的作用，而且在高速運轉的時候也會承受相當大的離心力，有些部位的葉片還會經受一些化學腐蝕和水滴的沖飾，在這些外力的作用下，汽輪機就會很容易發生斷裂，所以對于對于汽輪機的斷裂機理研究是很有必要的，就要對汽輪機的斷裂機理進行分析，并找到合適的防護的措施。

1　汽輪機葉片發生斷裂現象分析

汽輪機葉片斷裂的發生通常會伴隨著很多不同的現象，比較典型的表現主要有：（1）在汽輪機葉片發生斷裂的時候，汽輪機內或者是凝汽器內可能會產生一些突然的金屬撞擊的聲音；（2）機組的振動幅度會突然的增大或者機組會突然的抖動，軸向的位移會明顯地顯示增大或者有大幅度擺動的現象；（3）在葉片的損壞比較多的時候，在同樣的負荷下蒸汽的流量會有所增加，同時監視段的壓力也會有所上升；（4）發生了斷裂的葉片有可能會被排入到抽氣管道內，從而發生逆止門卡澀的現象；（5）在停機惰走或者是在盤車的狀態下，能夠聽到其中有金屬摩擦的聲響；（6）在汽輪機葉片發生斷裂時，有可能會引起軸瓦溫度和回油的溫度有一定的升高，這是因為轉子的平衡由于汽輪機葉片斷裂而遭到破壞所造成的，同時，推力瓦的溫度也會因此而上升。由此可見，汽輪機葉片斷裂現象直觀，也比較復雜，對這些現象進行科學合理的分析，才能保證安全。

2　汽輪機葉片斷裂機理

汽輪機葉片斷裂與很多因素有關，具體表現在應力狀態、工作溫度、環境介質等方面。

2.1工作溫度對汽輪機葉片的影響

如圖1，在汽輪機葉片工作時，汽輪機葉片尤其是它的動葉片，一般會處在相當惡劣的環境中，在實際溫度和熱應力的作用下經常會受到電化學腐蝕和水滴的沖蝕，眾所周知，電化學腐蝕相對其他類型的腐蝕來說可以說是最嚴重的，所以汽輪機葉片也會因此而受到影響，甚至會有發生斷裂的情況發生。有時汽輪機葉片所處的工作環境的溫度很高，這對于汽輪機葉片也是一個很大的挑戰。汽輪機的每一級的葉片在工作的時候的溫度都不一樣，其中，第一級的葉片所處的溫度通常都是極高的，之后的每一級的葉片的溫度都會逐漸降低，直到最后一級溫度最低，在最后一級葉片中存在一些游離的水分子，這些游離的水分子會經過冷凝結合形成水滴，之后會沖擊汽輪機的動葉片，從而造成水沖蝕現象的發生。

圖1　汽輪機所受實際溫度和熱應力作用圖

2.2應力狀態對汽輪機葉片的影響

圖2為汽輪機高壓轉子受力分析圖。可以看出，轉子y方向向下所受到的汽流力為：Fqy=by+dy-ay-cy，當機組采用單閥進汽時，四個高調閥的進汽開度是一致的，因此轉子y方向向下所受到的汽流力（by+dy）與y方向向上所受到的汽流力（ay+cy）應該處于平衡狀態，理論上Fqy=0，若出現汽輪機左側進汽流量小于右側進汽流量的情況時，汽輪機轉子左右側所收到的蒸汽力必然會發生變化，by+dy>ay+cy，轉子y方向向下的所受到的汽流力必然增大Fqy>0，很顯然，這會造成汽輪機y方向受力增大，瓦溫升高。

圖2　汽輪機高壓轉子氣流受力分析圖

在汽輪機工作的時候，它的動葉片通常會受到很大的靜應力以及交變應力。靜應力是因為轉子在旋轉過程中由葉片上所承受的離心力引起的，汽輪機的葉片越長，轉子的轉速就會越大，它所承受的離心力也就會越大，因此會產生較大的拉應力。并且，汽輪機在工作過程中會有蒸汽流，在這些蒸汽流的壓力作用下，葉片會產生一定的彎曲應力和扭力，葉片在激振力的作用下被迫發生振動，當振動頻率與葉片的自振頻率一致的時候，就會發生一定的共振現象，振動幅度會因此而增大，交變應力也會逐漸增強，從而導致汽輪機葉片因為過度疲勞而發生斷裂。

2.3環境介質對汽輪機葉片的影響

當汽輪機的工作環境是以水蒸氣作為介質時，由于環境較為潮濕，而且蒸汽中會含有氧，就有可能會造成一些氧化腐蝕，生成一些腐蝕性的鹽從而會影響葉片的工作強度，在潮濕的蒸汽區內，一些可溶性的鹽會吸收水蒸氣形成的水滴變成電解液，從而形成電化學腐蝕現象。汽輪機葉片的點蝕也是典型的電化學腐蝕的過程，由金屬做成的葉片會與電解質之間進行化學作用，電解質的陽極會發生溶解，從而造成鐵原子失去電子變成離子。葉片表面的鈍化膜變得不均勻或者破裂的時候，葉片的化學成分會發生一定程度的改變，由于介質中的活性陰離子被金屬吸附在表面，從而形成微電池。在化學作用以及多種應力的交互作用下，汽輪機的葉片會出現一些細小的裂紋，慢慢的會逐漸發展成大的明顯的裂紋，當裂紋逐漸發展到一定的階段時，葉片就會因腐蝕疲勞導致斷裂。

此外，還有一項斷裂機理，是由汽輪機本身的原因造成的。在汽輪機工作時，如果葉片根部發生松動，葉根就會隨之發生振動，導致葉根與葉根之間或者是葉片與葉輪機之間的相交面會發生相對摩擦，從而造成機械損壞的現象。同時在發生相對摩擦運動時，葉片的表面材料晶體會發生滑移或者硬化的現象，導致葉片上會產生很多微小的裂紋，隨著工作時間的增加，裂紋會逐步變化，最終演變成葉片疲勞斷裂。

3　汽輪機葉片防護

基于汽輪機葉片發生斷裂的機理，需要對汽輪機的葉片的斷裂現象采取一定的防護措施，具體體現在以下幾點：

（1）汽輪機的機組在啟動之前必須要對來氣管道進行充分的疏水，在啟動過程中，要使蒸汽必須保持在相對較高的過熱度條件下，如果在汽輪機工作過程中出現溫度驟然下降的情況，就應該使汽輪機立即停止工作下來不再工作。

（2）在汽輪機的機組啟動之前，應該加強軸向位移保護投入，在機組運行過程中，不可以將抽象位移保護退出，尤其是在汽輪機啟動的過程中，進行主汽門和調節氣門嚴密性測試的的時候，抽向位移保護動作后不可以隨意退出保護，在軸向位置達到定值時，如果保護不工作，就應該及時停止工作。

（3）并列運行的汽輪機應該裝有一定的串聯截止門，以確保減溫水管路切斷是可靠的。為了能夠預防在停機的時候或者是在啟動給水泵后，水能夠盡快進入到熱態的汽輪機中，在鍋爐打壓的時候，就要采用一定的方法來阻隔水，防止其流入到母管中。

（4）對于加熱器也要采取一定的措施，防止其在滿水之后返到人汽缸的現象發生，特別是在抽汽逆止門不嚴密或者是加熱器銅管易發生狀況的汽輪機機組內，更要經常性的對其監控水位線的變化情況。

（5）在新的機組驗收的時候，應當精確的檢測以確定葉片經過探傷，測頻是合格的。在投產之后，應當按期全面的對葉片的損傷程度進行檢查，如果出現問題，應當及時處理。

（6）應當定期性的進行檢測，從而能夠使系統的頻率能夠保持的合理的范圍之內，并且盡最大可能的降低機組在脫離了正常頻率情況下的工作時長，如有這樣的情況，應該及時停止并進行調整。

4　結束語

本文對汽輪機葉片斷裂機理以及針對汽輪機葉片斷裂的一些主要的防護措施進行了分析，只有對機組進行定期全面的測試檢查和探傷，才能盡早的把有可能發生的故障消滅在萌芽階段。

［1］張升才.汽輪機葉片斷裂機理分析［J］.農業機械學報，2006，（12）：201-205.

［2］張兵，鄭準備，王小迎，等.汽動給水泵汽輪機葉片斷裂機理分析［J］.熱加工工藝，2007，（24）：73-75，78.

［3］王玥.汽輪機葉片的模態分析與壽命評估［D］.杭州：浙江大學，2004.

Fracture Mechanism Analysis of Steam Turbine Blade

LIHai-peng
（Haerbin Turbine Company LTD.Haerbin Leilongjiang 150046，China）

The fractureofsteam turbineblade isa frequent failure in thework，to change the currentsituation，wemust makea carefulanalysisof the fracturemechanism of the turbineblade，and find theappropriate protectivemeasures.

steam turbine blade；fracturemechanism；protectivemeasures

TK474.7.1；O346.1

A

1672-545X（2016）06-0205-02

2016-03-15

李海鵬（1979-），男，黑龍江賓人，本科，工程師，研究方向：汽輪機主體。