近年來(lái),隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng),大容量的火電機(jī)組承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)[1-2],導(dǎo)致火電機(jī)組中額定轉(zhuǎn)速高、變轉(zhuǎn)速運(yùn)行的給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行工況越來(lái)越復(fù)雜,給水泵汽輪機(jī)故障,尤其是葉片損傷及斷裂等事故頻發(fā)[3-8],給大型火電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了很大困擾,影響了火電廠(chǎng)的設(shè)備安全和經(jīng)濟(jì)效益。 

某電廠(chǎng)超超臨界機(jī)組給水泵汽輪機(jī)為單缸、雙汽源、高低壓汽源內(nèi)切換、沖動(dòng)凝汽式、下排汽式汽輪機(jī)。該給水泵汽輪機(jī)投入運(yùn)行不足8 000 h其第4級(jí)動(dòng)葉片就發(fā)生斷裂事故,導(dǎo)致給水泵汽輪機(jī)緊急停運(yùn),轉(zhuǎn)子第4級(jí)動(dòng)葉片的材料為20Cr13鋼。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了該超超臨界機(jī)組給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子第4級(jí)動(dòng)葉片的斷裂原因,并提出改進(jìn)建議,以避免該類(lèi)事故再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀(guān)觀(guān)察

斷裂葉片為給水泵汽輪機(jī)的第4級(jí)動(dòng)葉片,該級(jí)葉片長(zhǎng)度為160 mm,葉根為樅樹(shù)型。斷裂葉片的宏觀(guān)形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂位置為葉根的第3級(jí)樅樹(shù)R角處,該位置斷口附近存在明顯因葉根與葉根槽沿葉輪切向擺動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦痕跡,摩擦區(qū)域明顯發(fā)亮；斷口與葉片長(zhǎng)度方向垂直,斷口保存完好,整體較為齊平,未見(jiàn)明顯塑性變形；斷口上的大部分區(qū)域可以觀(guān)察到許多互相平行的“海灘狀”疲勞輝紋,從疲勞輝紋的擴(kuò)展及收斂方向可以推斷,起裂區(qū)位于葉根R角周向兩側(cè)的邊緣,在兩側(cè)邊緣均可以觀(guān)察到多處疲勞起裂源區(qū)；斷口上大部分區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū),面積占比約為90%,瞬斷區(qū)位于出汽側(cè)拐角區(qū)域,面積占比約為10%；葉片根部未見(jiàn)明顯的腐蝕坑及機(jī)械損傷等缺陷。 

圖  1  斷裂葉片的宏觀(guān)形貌

相鄰未斷裂葉片的宏觀(guān)形貌如圖2所示。由圖2可知：葉片葉型部位有輕微機(jī)械損傷,葉根的第2,3級(jí)樅樹(shù)R角部位存在明顯因葉根與葉根槽沿葉輪切向擺動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦痕跡,摩擦區(qū)域表面發(fā)亮。 

圖  2  相鄰未斷裂葉片的宏觀(guān)形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂葉片上截取試樣,使用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂葉片的化學(xué)成分符合GB/T 8732—2014 《汽輪機(jī)葉片用鋼》對(duì)20Cr13鋼的要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在斷裂葉片斷口處截取金相試樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：葉片表層及基體的組織均為回火馬氏體；葉片斷口較為平整,裂紋呈穿晶擴(kuò)展形貌,斷口上未見(jiàn)枝杈狀裂紋形貌, 

圖  3  斷裂葉片的微觀(guān)形貌

斷口附近未見(jiàn)明顯腐蝕坑,在斷口兩側(cè)邊緣起裂區(qū)附近的側(cè)面R角部位可以觀(guān)察到多條與斷口互相平行的微裂紋；組織中存在粗系1.5級(jí)的環(huán)狀氧化物類(lèi)(D類(lèi))非金屬夾雜物,符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732—2014對(duì)20Cr13鋼的非金屬夾雜物要求。 

1.4   力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂葉片上截取試樣,對(duì)試樣分別進(jìn)行硬度和常溫沖擊性能測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂葉片的表層硬度、基體硬度以及沖擊吸收能量均符合GB/T 8732—2014對(duì)20Cr13鋼的要求。 

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將斷裂葉片的斷口進(jìn)行超聲波清洗后,利用掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行觀(guān)察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口的周向兩側(cè)邊緣均存在多處起裂源區(qū),各起裂源區(qū)均位于邊緣摩擦損傷區(qū)域,且起裂源區(qū)內(nèi)存在多條微裂紋；各起裂源區(qū)均未見(jiàn)明顯的腐蝕坑及嚴(yán)重夾雜物等缺陷；擴(kuò)展區(qū)可觀(guān)察到明顯互相平行的疲勞條帶,未見(jiàn)解理開(kāi)裂及沿晶開(kāi)裂等脆性開(kāi)裂特征形貌；瞬斷區(qū)可觀(guān)察到大量的韌窩,部分韌窩底部有細(xì)小顆粒,呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征。 

圖  4  斷裂葉片斷口的SEM形貌

利用能譜分析技術(shù)對(duì)葉片斷口的起裂源區(qū)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：葉片斷口起裂源區(qū)主要含有Fe、Cr、Mn、C、O和Si等元素,未見(jiàn)腐蝕性元素Cl。 

圖  5  葉片斷口起裂源區(qū)的能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該給水泵汽輪機(jī)斷裂葉片的化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,斷裂葉片葉型及葉根處均未見(jiàn)明顯腐蝕坑；斷口起裂源區(qū)未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素Cl,因此可以排除應(yīng)力腐蝕損傷的可能[9-10]。經(jīng)核查,該給水泵汽輪機(jī)未發(fā)生不當(dāng)起停、使用載荷不當(dāng)、轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大、超載荷、超速及進(jìn)汽參數(shù)超標(biāo)等情況,也未見(jiàn)水或濕蒸汽沖擊現(xiàn)象。 

在給水泵汽輪機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)高溫、高壓蒸汽經(jīng)過(guò)靜葉柵進(jìn)入動(dòng)葉片時(shí),靜葉片的出汽側(cè)邊緣有一定的厚度,使氣體在靜葉柵出口部位的壓力和速率降低,沿葉輪切向形成一個(gè)不均勻的汽流場(chǎng),旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片每經(jīng)過(guò)一個(gè)靜葉槽道時(shí),就會(huì)受到一次汽流激振力的沖擊,進(jìn)而使葉片發(fā)生振動(dòng)[11-12]。當(dāng)動(dòng)葉片的葉根與葉根槽裝配間隙誤差較大時(shí),葉片的激振振動(dòng)程度會(huì)加劇,葉根與葉根槽發(fā)生相對(duì)微動(dòng)摩擦,摩擦區(qū)域易發(fā)生微動(dòng)疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象,進(jìn)而使葉片疲勞斷裂。 

現(xiàn)場(chǎng)檢查給水泵汽輪機(jī)時(shí),發(fā)現(xiàn)部分第4級(jí)動(dòng)葉片存在葉根與葉根槽裝配間隙過(guò)大、沿葉輪周向松動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)觀(guān)察到斷裂葉片斷口邊緣及松動(dòng)未斷裂葉片的葉根R角處均存在與葉根槽沿葉輪切向微動(dòng)摩擦的痕跡,摩擦痕跡細(xì)密且光亮,說(shuō)明在給水泵運(yùn)行過(guò)程中,裝配松動(dòng)葉片的振動(dòng)程度較嚴(yán)重,葉根與葉根槽之間發(fā)生了微動(dòng)摩擦[13-14]。 

葉片斷口上大部分區(qū)域?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū),且疲勞條帶尺寸及間隙細(xì)小,瞬斷區(qū)面積較小。說(shuō)明在給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,動(dòng)葉片承受的載荷不大,且主要承受了交變循環(huán)載荷,葉片斷裂性質(zhì)為典型的高周低應(yīng)力疲勞斷裂。 

綜上所述,該超超臨界機(jī)組給水泵汽輪機(jī)第4級(jí)動(dòng)葉片的斷裂原因是葉片裝配質(zhì)量差,葉片存在明顯松動(dòng),在交變振動(dòng)載荷的作用下,葉根與葉根槽接觸部位發(fā)生微動(dòng)疲勞開(kāi)裂,最終導(dǎo)致葉片斷裂。 

3.   結(jié)論與建議

超超臨界機(jī)組給水泵汽輪機(jī)的第4級(jí)動(dòng)葉片裝配不當(dāng),葉根與葉根槽裝配間隙偏大,導(dǎo)致葉片存在明顯松動(dòng)；在長(zhǎng)期較高水平的交變振動(dòng)載荷作用下,部分裝配間隙較大的葉片沿葉根與葉根槽接觸部位產(chǎn)生微動(dòng)疲勞損傷,葉根周向兩側(cè)的邊緣發(fā)生雙向多源性疲勞開(kāi)裂,裂紋逐步擴(kuò)展,最終導(dǎo)致葉片斷裂。 

建議對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的給水泵汽輪機(jī)各級(jí)動(dòng)葉片葉根與葉根槽之間選擇過(guò)度配合或過(guò)盈配合,避免轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中葉片發(fā)生異常振動(dòng)。對(duì)于重要金屬部件,在機(jī)組投運(yùn)后應(yīng)結(jié)合機(jī)組檢修計(jì)劃做好監(jiān)督檢驗(yàn)工作。

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