汽輪機葉片斷裂原因探究

彭紫薇，何興川

（重慶郵電大學，重慶 400065）

汽輪機葉片斷裂原因探究

彭紫薇，何興川

（重慶郵電大學，重慶 400065）

汽輪機能否正常運轉，葉片起著至關重要的作用。而其選材、加工乃至安裝等都決定汽輪機組的安全運行。以往汽輪機葉片斷裂事故經(jīng)常發(fā)生，雖然目前我國的機械制造技術日趨完善,汽輪機葉片斷裂事故鮮有發(fā)生，但其斷裂的原因必須找到，以防止安全隱患的存在。本文主要闡述了汽輪機葉片斷裂情況及其原因。

汽輪機；葉片斷裂；原因分析

專業(yè)人士以大量斷裂的汽輪機葉片為研究對象，經(jīng)實驗分析得出疲勞斷裂是造成汽輪機葉片損傷的主要原因。因為葉片處于復雜的工作環(huán)境，受力十分難判斷，因此時有葉片斷裂事故出現(xiàn)，造成相關工作人員傷亡，故必須分析汽輪機葉片斷裂的原因。根據(jù)葉片斷裂的形式不同，可將其分為應力疲勞損壞、腐蝕疲勞損壞等幾種破壞成因。應通過對葉片斷裂的原因做出探尋并提出對應的解決方案，有效杜絕汽輪機在使用過程中因葉片斷裂造成的安全事故和阻礙正常生產(chǎn)等現(xiàn)象。

1 斷裂原因分析過程與步驟

（1）葉片斷裂實況調查。第一時間對發(fā)生斷裂的汽輪機葉片進行詳細記錄，記錄內容包括葉片斷裂時間、葉片工作地點、斷裂部位、檢查、斷口類型及其實景取樣。（2）充分了解發(fā)生問題的汽輪機狀況。主要為汽輪機大小、各項使用參數(shù)、維護送檢次數(shù)等項目。（3）工作實況檢測。即調查該汽輪機在運行過程中是否有短路、電流過大、葉片超速運轉、異物碰撞和不良振動過大等問題的出現(xiàn)。（4）斷口分析。通過研究斷面，以更好更快的找到葉片斷裂原因。主要通過宏觀與微觀兩方面進行分析。宏觀研究可以比較清晰的找到受損葉片的斷口特征以及疲勞損傷作用點位，而微觀研究則可分析出葉片在材料方面的問題,如金屬內部分子的滑移與硬化等等。這些都在為尋找斷裂原因及損壞本質做貢獻。（5）結構分析。對葉片的所有結構進行精準分析,而且需強調的是對于變截面葉片及尖角等特種結構應著重分析。（6）工作條件分析。調查葉片的工作環(huán)境，例如是否與不良特性的物質接觸，是否在高溫環(huán)境下長時間運轉等等。（7）葉片強度檢驗。嚴格計算葉片在工作時所受到的剪力、彎矩、扭矩等力學參數(shù)，并對斷裂部分進行強度、剛度、振動的計算,與許用值進行對比。（8）振動分析。計算受損葉片的分散度與安全度是否都在理論最大安全值之內。（9）葉片組成材料分析。查出受損葉片的組成材料參數(shù)，其中包括：牌號、化學組成、金相組織、抗彎模量、沖擊韌性。（10）無損檢測。對發(fā)生斷裂的葉片,用肉眼宏觀檢查與顯微鏡微觀檢查,通過磁粉和超聲波檢測判斷是否存在無裂紋類損傷及損傷位置。（11）加工質量審查。分析損壞葉片特別是損壞部位的加工質量,精準測量加工圓角與銳角及表面光潔度，檢查是否存在機床刀痕。（12）表面檢查。分析損壞葉片的表面狀況,看有無機械損傷、腐蝕、沖蝕等容易引起應力集中的缺陷。

2 汽輪機葉片斷裂機理

導致汽輪機葉片發(fā)生斷裂的原因有很多，主要方面為葉片所受應力大小、工作時的溫度高低、工作環(huán)境、磨損疲勞程度。

2.1 工作溫度對汽輪機葉片的影響

汽輪機運轉時，靠的是葉片提供動力。而汽輪機的工作環(huán)境多為水下等較為惡劣的環(huán)境，尤其在有電解質溶液存在的條件下，加之高溫環(huán)境促進了電解平衡的正向移動，使得汽輪機的葉片不可避免的承受著非常嚴重的電化學腐蝕，這種腐蝕帶來的危害遠大于其他類型的腐蝕，因此有可能會導致葉片斷裂，進而阻礙了工作的正常進行，甚至危害工作人員的生命健康。有的工廠因為生產(chǎn)需要，會有很高的溫度，如：冶金、機床加工等等，汽輪機葉片在這樣的環(huán)境下是否能夠正常運轉很大程度上決定了其是否斷裂。汽輪機葉片因工作時的功能不同，且轉速不同，使得各級葉片的實際溫度都不一樣。顯然，葉片所處溫度從第一級至最后一級逐級遞減，但遞減程度每級之間又有不同。值得說明的一點是，因為最后一級葉片的溫度較低，會存在少數(shù)尚未高溫氣化完全的水分子，且呈游離狀，它們會遇冷液化為小水珠，在高速轉動的葉片形成的超大氣壓下沖擊葉片，發(fā)生水沖侵蝕并產(chǎn)生較大不良影響。

2.2 受力情況對汽輪機葉片的影響

葉片靠汽輪機內部的轉子提供動力進行轉動，而轉子在豎直方向受到向下的空氣壓力。常見的汽輪機多采用單閥進汽動力模式，每個進汽閥的進汽量相同，這保障了轉子在豎直方向受到的空氣壓力與豎直方向所受到的動力兩者互相平衡，但是如果汽輪機的進汽量不足時，必然會使汽輪機轉子所受到的空氣壓力發(fā)生驟變，準確地說就是轉子在豎直方向所受到的空氣壓力因無法被抵消而變得很大。顯而易見，這種狀況會造成汽輪機的瓦溫升高，必然無法維持正常的運轉。汽輪機的葉片還會受到較大的應力以及彎、扭矩作用，轉子在旋轉時由于受到很大的離心力會產(chǎn)生內應力，葉片長度可視為轉子轉動時的轉動半徑，而離心力正比于轉動半徑的平方，所以應力必然較大。不可忽視的是氣流也是汽輪機工作時一個必須認真考慮的因素，氣流會使得葉片產(chǎn)生難以平衡的剪力、扭矩、彎矩，在外力作用下引起共振或被迫振動，加大振幅，從而導致汽輪機葉片因為振動過度而疲勞斷裂。

2.3 電化學腐蝕對汽輪機葉片的影響

若汽輪機在潮濕環(huán)境下工作，則周圍充滿著大量的水蒸氣，水蒸氣中所含的氧氣會與構成葉片的活躍金屬發(fā)生得失電子的化學反應，即人們通常所說的氧化還原反應，對葉片造成一定程度的腐蝕，使其強度下降，引發(fā)斷裂。還有一種更為嚴重的腐蝕就是電化學腐蝕，因為汽輪機工作的環(huán)境中存在電解質溶液，常見的有飽和硫酸鹽溶液等等，在有水的情況下形成電解池，使得葉片中的金屬不斷被電離，最終因葉片的工作強度消失而斷裂。典型的例子就是汽輪機葉片的點蝕現(xiàn)象，金屬葉片與電解質溶液之間形成原電池，此時作為電池陽極的葉片會因失去電子變?yōu)橛坞x的離子發(fā)生溶解，造成強度漸漸降低，還有保護葉片的鈍化膜一旦因產(chǎn)生裂紋而暴露在溶液中時，仍然會形成原電池而導致葉片的化學成分發(fā)生一定程度的改變。在各種外力相互疊加的作用下，汽輪機葉片可能會由起初的幾個很小的裂紋繼而逐漸過渡成為很大的裂紋，當其擴大到無法彌補的尺寸時，葉片就會因裂紋過大而喪失強度發(fā)生斷裂。除此以外，汽輪機本身也是有可能造成葉片斷裂的。汽輪機的葉片在轉動的時侯，若根部固定不牢，隨之而來的就是引起葉片振動，振動帶來的相互摩擦會造成葉片損傷。

2.4 磨損疲勞程度對汽輪機葉片的影響

某案例是科研人員對得到的斷裂葉片在組成成分、硬度剛度、裂紋大小等方面檢測時均未發(fā)現(xiàn)不達標的數(shù)據(jù)。在多次全面檢查后,發(fā)現(xiàn)有些葉片存在著大小不一的裂紋,但位置都發(fā)生在同一處。用高清電子顯微鏡觀察得知，裂紋上均有很多相互平行的螺紋且開裂方向也基本相同。究其本質，這些葉片斷裂的原因正是源于罕見的多源疲勞斷裂。具體來說就是單一葉片的斷裂所引起的連鎖反應,作用于葉片根部的力向周圍擴散與傳遞,造成圍帶局部受力增大導致斷裂,與斷裂葉片相鄰的葉片銷釘受力增加,萌生疲勞裂紋,進而發(fā)生疲勞斷裂。

3 汽輪機葉片斷裂原因總結

（1）汽輪機過負荷運行，使葉片超過最大許用應力而折斷。（2）汽輪機葉片頻率不符合要求，運行中發(fā)生共振而折斷，特別是高、低周波運行時尤為嚴重。（3）葉片由于機械雜質沖擊，濕蒸氣水蝕和化學腐蝕等因素，使葉片機械強度減弱而折斷。（4）汽輪機新蒸汽溫度經(jīng)常超出限度，使葉片受高溫影響，材料許用應力降低或產(chǎn)生高溫蠕變而折斷。（5）葉片長度過長，導致轉動時因轉動半徑過大而產(chǎn)生較大離心力，從而產(chǎn)生較多裂紋，逐漸發(fā)展從而引起葉片斷裂。

4 結語

綜上所述，要想實現(xiàn)汽輪機的安全正常運行必須擁有良好的工作環(huán)境。因此，務必提高蒸汽質量，定期對工作環(huán)境進行檢測，發(fā)現(xiàn)不合格之處需及時處理。同時工作人員在運行過程中應時刻關注機組的實際荷載，杜絕超限超應力運行，也應保證汽輪機在正常的溫度及濕度下工作，防止電化學腐蝕。只有找準斷裂原因，才能盡早的把有可能發(fā)生的故障消滅在萌芽階段，為企業(yè)的發(fā)展和員工的健康保駕護航。

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