710 mm末級葉片疲勞斷裂事故解析

張向軍，王 強，蘇煥朝，張 瓊

(1.華電電力科學研究院有限公司西安分院，陜西 西安 710054；2.華電山西能源有限公司，山西 太原 030006；3.華電國際朔州熱電分公司，山西 朔州 036000；4.西北電力建設第三工程有限公司，陜西 咸陽 712021)

汽輪機葉片按其工作性質可分為動葉片及靜葉片兩種類型。動葉片又稱為工作葉片，主要起傳遞動力的作用；靜葉片又稱為導向葉片，主要起導向流體的作用[1-2]。由于葉片工作條件惡劣，受力情況復雜，斷裂事故經常發生，且后果又較嚴重，所以對葉片斷裂事故的分析研究至關重要。葉片斷裂事件原因為機組葉頂圍帶損傷使葉片在非設計狀態下運行，葉片斷裂部位疲勞損傷，在應力集中部位(葉片端面起始變截面處)優先形成裂紋并逐步擴展造成葉片疲勞失效[3-5]。

圖1 末級葉片斷口情況(葉輪側)

某電廠3號汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽、可調整抽汽式凝汽式汽輪機，型號為C330/N200-16.7/539/540。汽輪機共有八段非調整抽汽。汽輪機分為高壓缸、中壓缸、低壓缸，高壓缸共12級，第1級為單列調速級，其余各級均為壓力級；中、低壓缸各有10級壓力級；低壓缸對稱分流各6級。高壓轉子為耐熱合金鋼整鍛轉子，中壓轉子為整鍛加套裝結構(即組合式)，低壓轉子采用套裝式結構。該汽輪機低壓轉子葉片結構，采用分流布置，正反向各6級，其中末級葉片數量為2×96片，采用七叉型葉根，葉身長度為710 mm，通過鉚接圍帶和拉筋的焊接5～6片葉片形成一組。葉片材質為2Cr13鋼，為提高末級葉片的抗沖蝕能力，由葉片頂部起始在進汽邊背弧鑲焊了長250 mm的司太立硬質合金(Co60Cr30W5)。

該電廠汽輪機在運行期間，電機側低壓轉子末級第13組第5片動葉片發生斷裂(圖1)，并造成部分同級葉片損傷(圖2)。葉片斷裂面距葉根部200 mm，與葉片長度方向成90°，位于葉片鑲焊司太立合金的交界處。

圖2 末級受損葉片(電側)現場情況

1 事故原因分析

1.1 斷裂葉片材質分析

對斷裂葉片(2Cr13材質)依據GB/T 8732-2014、DL/T 991-2006標準對其進行成分分析，檢測結果見表1，試驗結果顯示均滿足符合GB/T 8732-2014要求。

表1 化學成分分析

對斷裂葉片(2Cr13材質)依據GB/T 8732-2014、GB/T 231.1-2018 標準對其進行硬度檢測分析，檢測結果見表2，試驗結果顯示均滿足符合GB/T 8732-2014要求。

表2 硬度檢測結果

經機械拋光、氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕，DMI5000M 金相顯微鏡依據標準GB/T 8732-2014、DL/T 884-2004進行試驗，結果合格，檢測部位：JS-1908008001橫截面1000倍金相組織為回火馬氏體，見圖3；檢測部位：JS-1908008001橫截面放大倍數：200倍，δ鐵素體含量：約0.23%，見圖4。

圖3 1000×

圖4 200×

對斷裂葉片和完好葉片分別進行了化學成分、布氏硬度、室溫拉伸試驗、室溫沖擊試驗、金相組織、非金屬夾雜物等試驗項目，結果表明：除室溫拉伸試驗的斷后延伸率略低于GB/T 8732-2014《汽輪機葉片用鋼》要求外，其他所檢材料性能均符合標準要求。由于室溫拉伸試驗的斷后延伸率并非本次葉片斷裂的主要因素，不考慮其影響。

綜合以上檢驗結果，可認為本次葉片斷裂與葉片原始材質無直接關系。

1.2 葉片加工工藝影響分析

公司3號機組于2003年12月投產運行，機組運行時間接近16年，截止2019年6月3號機組運行小時數為105636.28 h。經檢查發現，低壓末級動葉葉根出汽邊側葉片厚度存在明顯差異。各葉片加工工藝精度存在一定程度的差別，影響葉片本身強度，在長時間運行情況下，易造成末級葉片與硬質合金鑲焊處的損傷累積，導致疲勞裂紋萌生。

1.3 末級葉片根部水蝕影響分析

汽輪機低壓轉子末級葉片長期處于濕蒸汽狀態運行，通常受到水滴沖刷磨損。經檢查發現，末級動葉根部出汽邊側存在減薄現象。除葉片加工工藝精度的影響外，汽流沖刷和水蝕現象也可造成末級葉片性能的下降，進而促使葉片疲勞損傷的形成。

1.4 葉片蒸汽作用力沖擊影響分析

觀察葉片的宏觀及斷口形貌照片，如圖5和圖6所示，可見斷面較平坦，具有明顯的疲勞斷口特征。疲勞源區位于葉片端面起始處，此處為變截面，出汽邊端角部位，源區微觀可見存在局部有劃痕且伴有微小凹坑，可能在開裂初期斷口兩面局部碰磨有關，如圖7所示。疲勞擴展區可見明顯貝紋線，微觀可見疲勞裂紋，如圖8所示。瞬斷區域明顯氧化程度較輕，為強度不足后較短時間內撕裂。

葉片受蒸汽作用力沖擊發生振動，以裂紋源為起點逐漸擴展，由于圍帶與拉金的減振作用，疲勞裂紋的形成和擴展比較緩慢，故疲勞端口平整，裂紋擴展過程呈現疲勞擴展的特征。

此外通過對機組原葉片同本次新更換葉片的對比發現，事件斷裂葉片疲勞裂紋起始點處為尖角凸出，存在一定程度的應力集中，新更換葉片已將疲勞裂紋起始點處端角進行倒圓圓滑過渡，如圖9所示。

圖5 斷裂葉片斷口示意圖

圖6 斷裂葉片斷口分析圖

圖7 斷口源區形貌

圖8 擴展區疲勞條紋

圖9 更換葉片和原葉片對比

1.5 葉頂圍損傷運行影響分析。

公司3號機組2017年進行擴大性小修時發現，低壓缸電側與汽側末級動葉葉頂圍帶存在撕裂和脫落現象，圍帶斷裂更換共計34只(由于原設計葉片無葉片編號，無法明確葉頂圍帶更換部位)。以往歷次大修均有類似問題出現，2017年檢修后仍可能存在葉頂圍帶損傷的情況。圍帶損傷后葉片振動頻率、振型及葉身的受力情況均會發生改變。葉頂圍帶損傷使葉片在非設計狀態下運行，同時機組運行時間已經超過10萬h，會使葉片斷裂部位逐步造成疲勞損傷，性能下降，在應力集中部位(葉片端面起始變截面處)優先形成裂紋并逐步擴展，進而造成葉片斷裂。

2 結論及建議

根據上述機組故障分析結果，為保證同類機組正常運行，本文給出如下運行建議：

(1)鉚接圍帶是上世紀的主流技術，由于鉚接的工藝問題和組裝環境及人員的影響極有可能是鉚接圍帶首先發生斷裂，進而破壞動平衡，致使葉片發生斷裂。

(2)在硬質合金與葉片交界區，由于材質的變化和鑲焊的原因，在末級葉片承受沖蝕、高速轉動形成的離心力和振動交變應力等長時期的共同作用下，容易萌生裂紋。同時，汽輪機運行期間，由于末級葉片具有較大的質量和尺寸，其高速轉動時的離心力會產生較大的拉應力，因而，在硬質合金與葉片的橫向交界區更易萌生疲勞裂紋，縱向交界區則大多為點狀線缺陷，裂紋較少。

(3)通常情況下，葉片內外弧拐角處由于應力集中，也更易萌生橫向疲勞裂紋。但是，如果硬質合金與葉片鑲焊有質量問題，如原始鑲焊質量欠佳，或鑲焊區遭到沖蝕等影響后，性能大幅下降等，也會在葉片背弧鑲焊區缺陷位置產生橫向裂紋。

綜合分析以上各類試驗數據，可以認為：機組長時間運行后末級葉片金屬材料基體的各種累積損傷(破壞動平衡的條件下，損傷加速)，在葉片硬質合金原始鑲焊質量不良區域逐步形成疲勞裂紋，并最終導致了葉片斷裂。