350 MW汽轮机低压转子叶片断裂原因分析及建议.pdf

2023年第41卷第3期350 MW汽轮机低压转子叶片断裂原因分析及建议吕磊，涂安琪，谭晓蒙，郭心爱（内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特010020）1叶片断裂情况某火电厂汽轮发电4号机组在运行过程中发生低压转子振动超标现象，经停机检查，发现低压转子汽机侧次末级叶片发生断裂，该机组为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的CZK350/324-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、单轴、两缸两排气、直接空冷抽汽凝汽式供热汽轮机。断裂动叶片的材摘要：针对某电厂低压转子汽轮机侧次末级叶片发生断裂问题，采用外观形貌观察、SEM形貌分析、力学性能分析、化学成分分析及显微组织检测等试验方法，对断裂的低压转子叶片进行综合性失效分析。结果表明，低压转子汽轮机侧次末级叶片受到机械碰撞损伤，导致叶片出汽侧受损形变并产生应力集中区域，叶片在工作载荷下在机械损伤应力集中区域萌生裂纹源，在交变应力作用下裂纹不断扩展，最终导致叶片疲劳断裂。建议检查低压转子其他位置叶片，发现机械损伤及开裂等问题及时处理，其次应防止异物随蒸汽进入汽轮机内打伤叶片，并确保汽缸内部固定零部件牢固不脱落，从而防止类似情况再次发生。关键词：汽轮机；低压转子；叶片；裂纹；疲劳开裂文献标志码：B文章编号：1008-6218（2023）03-0097-04中图分类号：TM311doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0046基金项目 内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司青年科技人员支持计划项目“涂层下水轮机叶片阵列涡流检测技术研究”（2022-ZC-04）内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERA n a l y s i sa n dSu g g e s t i o n so nFr a c t u r eCa u s eo fLo w Pr e s s u r eRo t o rBl a d eo f3 50M WSt e a m T u r b i n eLYU Lei,TU Anqi,TAN Xiaomeng,GUO Xinai（Inner Mongolia Power（Group）Co.,Ltd.,Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China）A b s t r a c t：In order to find out the cause of the fracture of the secondary and final stage blade on the turbine side of alowpressure rotor in a power plant,comprehensive failure analysis is conducted on the fractured lowpressure rotor bladeusing test methods,such as appearance morphology observation,scanning electron microscope(SEM)morphology analysis,mechanicalpropertyanalysis,chemicalcompositionanalysis,andmicrostructuredetection.Theresultsshowthatthesecondary and final stage blades on the turbine side of the low pressure rotor are damaged by mechanical collision,resulting in the damage and deformation on the steam outlet side of the blades,and generating stress concentration areas.The blades are prone to initiate crack sources in the mechanical damage stress concentration areas under working load,andthe cracks continuously expand under the action of alternating stress,which ultimately leads to fatigue cracking and fractureof the blades.It is recommended to carefully inspect the blades at other positions of the lowpressure rotor and promptlyhandle any mechanical damage and cracks found.Secondly,it is necessary to prevent foreign matters from entering theturbine with steam to damage the blades,and ensure that the fixed parts inside the cylinder are firm and will not fall off,to prevent similar situations from occurring again.K e yw o r d s：steam turbine;low pressure rotor;blade;crack;fatigue cracking引用格式：吕磊，涂安琪，谭晓蒙，等.350 MW汽轮机低压转子叶片断裂原因分析及建议J.内蒙古电力技术，2023，41（3）：97100.LYU Lei,TU Anqi,TAN Xiaomeng,et al.Analysis and Suggestions on Fracture Cause of Low Pressure Rotor Blade of 350 MWSteam TurbineJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(3):97100.972023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术质为 0Cr17Ni4Cu4Nb。该合金是在 Cr17 型不锈钢基础上加入Cu、Nb等强化元素，并经固溶时效析出富铜相后进行强化的沉淀硬化马氏体不锈钢，简称174PH钢，该合金经10251055 固熔处理、810820 退火缓冷及600610 时效热处理后，在近700 仍具有优良的强度和韧性匹配性能及良好的耐蚀性和抗氧化性，因此被广泛用于制造大型汽轮机的叶片等重要部件1-5。为查清该机组汽轮机低压转子叶片断裂原因，对断裂的汽轮机低压转子叶片进行了综合性失效原因分析。2试验检测采用宏观形貌观察、断口形貌分析、化学成分分析、金相组织分析、力学性能测试等方法对断裂叶片进行分析测试，确定其断裂机理和失效原因。2.1宏观形貌观察对断裂的低压转子汽机侧次末级叶片进行宏观形貌分析，如图1所示。可见叶片已断为两部分，叶顶部分承受严重异物碰撞破坏已弯曲变形，叶根部分断口未受明显破坏，对其断面宏观及微观形貌进一步分析时，发现有明显机械碰撞变形，进汽侧边缘向内发生塑性形变。2.2断口形貌分析利用扫描电子显微镜（SEM）对断口叶片叶根侧进行微观形貌分析，以确定其开裂模式及开裂机理。由图2可见，叶片断口表面齐平，进汽边区域有明显的异物机械碰撞导致的塑性变形。断口上初始断裂区、裂纹扩展区等特征区域清晰可辨，开裂起源于进汽侧机械碰撞变形处边缘，并向出汽侧扩展，启裂区所占面积较小，断口的大部分为扩展区。对初始断裂区域及裂纹扩展区域进行SEM分析，可见裂纹起源区存在异物机械碰撞痕迹，裂纹扩展区存在明显疲劳辉纹与大致平行的二次裂纹6-11，同时疲劳源区与扩展区所占断口面积较大，说明该叶片运行中承受的载荷较小、循环次数较多，具有较为典型的高周低应力疲劳断裂特征12-22。2.3显微组织检测与分析利用 Axio Observer.Alm 型金相显微镜对断裂的叶片取样进行显微组织检测，确定其金相组织有无异常，结果如图3所示。由图3可以看出，叶片金相组织为回火马氏体，组织未见粗大的淬硬马氏体及严重铁素体等异常组织，未见夹杂物缺陷。2.4化学成分分析利用SPECTROMAXx型台式直读光谱仪对断裂的叶片取样进行化学成分分析，结果见表1。由表1可以看出，送检叶片化学成分符合 GB/T 87322014 汽轮机叶片用钢 标准中相关要求。2.5力学性能检测与分析由于送检样品尺寸不足以加工拉伸试样，因此对断裂叶片取样进行硬度及冲击性能试验，利用TUKON-2500型全自动显微维氏硬度计对断裂的叶片取样进行硬度检测，结果见表2。利用ZBC-300B型数字式冲击试验机对断裂的低压转子次末级叶图1断裂叶片宏观形貌Fig.1 Macromorphology of fractured blades（a）断裂叶片（b）叶根侧断口进汽边图2断裂叶片断口宏观及微观形貌Fig.2 Macro and micro morphology of fracturesurface of the blades（a）断面形貌裂纹扩展区初始断裂区瞬断展区（b）初始开裂区（c）裂纹扩展区疲劳辉纹与二次裂纹图3断裂叶片显微组织Fig.3 Microstructure of fractured blade982023年第41卷第3期吕磊，等：350 MW汽轮机低压转子叶片断裂原因分析及建议片进行冲击试验，确定其韧性是否符合要求，结果见表2。断裂叶片的硬度值满足标准要求。标准中对该材质冲击吸收能量无要求，但可见断裂叶片的常温冲击吸收能量较高（100 J），其塑韧性较好。3试验结果分析从机组运行工况分析，机组长期在灵活性工况下运行，造成次末级部位蒸汽负荷变化频繁，汽流波动大，导致叶片发生颤振；揭缸检修时发现叶片的叶根与叶根槽装配间隙大，造成叶片晃动幅度较大，进一步加剧了叶片运行过程中的颤振。深度调峰工况下，蒸汽流量下降，导致流场不稳定，使气流从叶片表面脱落产生聚集现象，形成倒流涡流区，引发不规律的气流激振，使叶片出现动应力突增现象，严重影响叶片的安全运行。对于深度调峰机组，在由额定负荷向低负荷工况转换过程中，将不可避免地经过动应力峰值区域，叶片在该区域运行会受到严重损伤，因此机组叶片存在振动过大问题。而且在深度调峰工况下叶片长期存在鼓风现象，温度升高，导致许用应力下降，引发叶片共振，最终造成叶片损坏。异物可能来自检修过程中掉落到缸内或管道的硬物，运行中随蒸汽进入汽轮机打击叶片形成疲劳源区。综上此次叶片断裂原因为异物打击叶片形成机械损伤并产出应力集中区，叶片在长时间运行过程中承受拉应力、弯曲应力、扭力及振动等循环交变载荷，裂纹源不断扩展最终导致叶片疲劳断裂。4结论及建议该汽轮机低压转子汽机侧次末级叶片断裂的主要原因为低压转子汽机侧次末级叶片受到异物机械碰撞损伤，导致叶片进汽侧受损形变并产生应力集中区域，叶片在交变载荷下在机械损伤应力集中区域萌生疲劳裂纹源，在交变应力的作用下裂纹不断扩展，最终导致叶片开裂断裂。为防止此类叶片断裂事故发生，建议加强汽轮机运行管理，防止外来的异物随蒸汽进入汽轮机内打伤叶片，并确保汽缸内部固定零部件牢固不脱落；优化叶片结构设计，提高叶片装配质量，减少叶片振动现象23-24；利用机组检修时间，加强汽轮机叶片无损检测工作，可利用磁粉、涡流、相控阵等无损检测方法及时发现叶片裂纹并及时消缺处理；减少机组频繁工况变化，减少交变应力对转子叶片作用。参考文献：1 张涛，田峰，贺飞雄，等.300 MW汽轮机低压转子动叶片断裂分析J.内蒙古电力技术，2014，32（5）：4144.ZHANG Tao,TIAN Feng,HE Feixiong et al.Failure Analysisof Lowpressure Rotor Blade of 300 MW Steam TurbineJ.InnerMongolia Electric Power,2014,32(5):41442 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blades项目检测值标准要求布氏硬度302、301、299277321冲击吸收能量/J130、131表1断裂叶片各化学成分质量分数检测结果Tab.1 Test Results of mass fractions ofchemical composition%项目实测值标准要求项目实测值标准要求C0.0510.055Cr15.8415.0016.00Si0.461.00Ni4.133.804.50Mn0.450.50Cu3.353.003.70P0.0160.030Nb+Ta0.310.150.35S0.0060.020992023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术Chemical Analysis Part A:Physical Testing,2017,53(11):812817.6 江国栋，卢建湘.火电厂汽轮机组叶片断裂分析与研究J.热加工工艺，2017，46（20）：259261.JIANGGuodong,LUJianxiang.AnalysisandResearchonBlade Fracture of Steam Turbine in a Power PlantJ.HotWorking Technology,2017,46(20):259261.7 牛玉静，冯文吉，蒋成虎，等.汽轮机低压转子叶片断裂原因分析J.上海金属，2017，39（1）：6569.NIU Yujing,FENG Wenji,JIANG Chenghu,et al.FractureAnalysis of Lowpressure Rotor for Steam TurbineJ.ShanghaiMetals,2017,39(1):6569.8 张元.火电用汽轮机转子主要失效模式及裂纹检测技术分析研究D.青岛：中国石油大学，2019.9 邓海涛，高鹏.一台超临界空冷600 MW汽轮机次末级叶片断裂故障诊断及原因分析J.汽轮机技术，2022，64（3）：221222，228.DENG Haitao,GAO Peng.Fault Diagnosis and Cause AnalysisofSecondaryLastStageBladeFractureofanAir cooledSupercritical 600 MW Steam TurbineJ.Turbine 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