近年來,隨著火電機組深度調(diào)峰等靈活性運行方式的普及,電站大型汽輪機的運行工況越來越復(fù)雜,機組的安全性面臨著巨大挑戰(zhàn),汽輪機故障,特別是葉片損傷及斷裂等事故頻發(fā)[1－4],影響了大型發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。 

某熱電聯(lián)產(chǎn)機組在運行過程中,其汽輪機低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片發(fā)生斷裂,導(dǎo)致機組緊急打閘停機。該汽輪機為超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、空冷直接抽汽凝汽式供熱汽輪機,其低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片材料為0Cr17Ni4Cu4Nb鋼,葉型長度為352 mm。筆者采用一系列理化檢驗方法對該超臨界汽輪機低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片的斷裂原因進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)建議,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

結(jié)合現(xiàn)場勘察,對斷裂的低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：斷裂葉片為汽機側(cè)低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片,其中一支葉片斷裂,自葉片根部平臺上方約20 mm處的葉型部位斷裂為兩部分,葉根部分仍鑲嵌于葉根槽內(nèi),葉型部分已掉入下缸,并將相鄰的多支次末級葉片和末級葉片擊打損傷；葉型中間無固定拉筋,葉根鑲嵌部位發(fā)生嚴(yán)重松動。 

圖  1  斷裂葉片的宏觀形貌

對葉片斷口處進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：掉入下缸的葉片葉型部分已發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷形變,鑲嵌于葉輪上的葉根部分外形完好,未見明顯的機械損傷；葉片斷口整體較為齊平,未見明顯塑性變形；斷口表面銹蝕較為嚴(yán)重,但在斷口上的大部分區(qū)域仍可見眾多互相平行的“海灘狀”疲勞輝紋,觀察疲勞輝紋的擴展及收斂方向,發(fā)現(xiàn)斷口的起裂區(qū)位于葉片出汽側(cè)邊緣處,瞬斷區(qū)位于葉片進(jìn)汽側(cè)；斷口上擴展區(qū)的面積占比約為70%,瞬斷區(qū)的面積占比約為30%；葉片表面未見嚴(yán)重腐蝕坑或機械損傷等缺陷。 

圖  2  葉片斷口處的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂葉片上取樣,對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂葉片中各主要合金元素的含量均符合GB/T 8732—2014 《汽輪機葉片用鋼》對0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

對葉片斷口進(jìn)行超聲清洗,然后利用掃描電子顯微鏡對葉片斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：起裂區(qū)靠近葉片出汽側(cè)端部,表面齊平,未見明顯的腐蝕坑、夾雜物或機械損傷等缺陷；擴展區(qū)可以觀察到眾多互相平行且間距細(xì)小的疲勞條帶,說明葉片顫振形成的載荷較??；瞬斷區(qū)大部分區(qū)域呈韌性＋準(zhǔn)解理斷裂特征。 

圖  3  葉片斷口SEM形貌

利用X射線能譜儀對葉片斷口的起裂區(qū)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：起裂區(qū)未見含有Cl元素的腐蝕性產(chǎn)物。 

圖  4  起裂區(qū)的能譜分析結(jié)果

1.4   金相檢驗

在葉片斷口處取樣,對試樣進(jìn)行金相檢驗,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：葉片的基體組織為回火馬氏體,未見粗大的淬硬馬氏體及嚴(yán)重δ鐵素體等異常組織,未見嚴(yán)重夾雜物缺陷[5]；起裂區(qū)及擴展區(qū)裂紋均以穿晶斷裂的方式擴展,未見晶粒拉長畸變、沿晶開裂形貌或夾雜物顆粒等缺陷。 

圖  5  斷裂葉片的金相檢驗結(jié)果

1.5   硬度測試

在斷裂葉片上取樣,對試樣進(jìn)行硬度測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂葉片的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732—2014的要求。 

2.   綜合分析

目前,蒙西電網(wǎng)新能源發(fā)電的裝機容量占比已達(dá)40%,傳統(tǒng)主力型火電機組的載荷水平普遍長期處于40%～50% BMCR(最大連續(xù)出力工況),參與深度調(diào)峰的機組最低載荷會降至20%BMCR。大展弦比的汽輪機葉片,頻繁且長期在低載荷工況下運行,極易發(fā)生葉片顫振[6－8]。該汽輪機屬于大流量抽汽式汽輪機,進(jìn)入冬季供暖期,大量中壓缸蒸汽會被抽走用于供熱,導(dǎo)致進(jìn)入低壓缸的蒸汽流量很低且隨載荷頻繁發(fā)生變化。當(dāng)進(jìn)入低壓缸蒸汽流量為20～120 t/h時,葉片的顫振會更劇烈,顫振的頻率與葉片固有頻率一致時就會產(chǎn)生共振,從而引起葉片的疲勞斷裂。 

斷裂葉片為汽輪機側(cè)低壓轉(zhuǎn)子次末級葉片,葉型較長,中間無拉筋固定。此外,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子正向和反向的次末級葉片普遍存在葉根與葉根槽裝配不緊密、松動等問題。在超低載荷及調(diào)峰等靈活性運行工況下,葉根松動會加劇葉片的顫振,進(jìn)而引發(fā)葉片的疲勞損傷。葉片斷裂的起裂區(qū)位于葉片出汽側(cè)邊緣,該位置為葉片幾何弦長方向上尺寸最薄的區(qū)域,該區(qū)域抵抗疲勞開裂的能力也最弱,在顫振引發(fā)的交變疲勞載荷作用下葉片易發(fā)生開裂。斷裂葉片及其他次末級葉片表面未見明顯的腐蝕坑或機械損傷等缺陷。此外,起裂區(qū)的能譜分析結(jié)果顯示,未發(fā)現(xiàn)腐蝕性Cl－的存在,因此可以排除應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致?lián)p傷開裂的因素。 

斷口上大部分區(qū)域呈“海灘狀”疲勞條帶形貌,擴展區(qū)面積占比約為70%,且疲勞條帶尺寸及間隙細(xì)小,說明在汽輪機運行過程中葉片承受的載荷較小,葉片的斷裂形貌為典型高周低應(yīng)力疲勞斷裂。 

在高比例波動性新能源大規(guī)模接入的背景下,當(dāng)前火電機組普遍采用超低載荷及調(diào)峰等靈活性運行方式[9－11],使抽汽式汽輪機低壓缸的進(jìn)汽量減少,特別是在深度調(diào)峰運行工況下,低壓轉(zhuǎn)子長葉片易發(fā)生異常顫振。 

3.   結(jié)論與建議

在超低載荷及調(diào)峰等靈活性運行工況下,機組承受的載荷頻繁發(fā)生變化；供熱抽汽造成低壓缸進(jìn)汽量減少、汽流大幅波動,導(dǎo)致末端的長葉片發(fā)生顫振；次末級葉片的葉根尺寸與葉根槽不匹配,使葉根松動、葉片晃動,加劇了惡劣工況下葉片的顫振；在兩種因素的共同作用下,在葉片出汽側(cè)近葉根部位的應(yīng)力集中區(qū)域萌生了疲勞裂紋；在葉片顫振產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下,裂紋以疲勞的形式不斷擴展,最終導(dǎo)致葉片整體斷裂。 

建議更換低壓轉(zhuǎn)子正向和反向的次末級葉片,改變次末級葉片葉根與葉根槽的裝配方式,使之形成緊固的過渡配合或過盈配合。在整圈葉片間增設(shè)拉筋設(shè)計,以保障運行狀態(tài)下葉片的相對穩(wěn)固,盡可能減弱葉片的顫振。優(yōu)化機組運行的策略,避免靈活性運行工況產(chǎn)生的汽流變化對低壓轉(zhuǎn)子末端長尺寸葉片造成損傷。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)