近年來,隨著新能源發電的大規模并網,大容量的火電機組承擔調峰任務[1-2],導致火電機組中額定轉速高、變轉速運行的給水泵汽輪機運行工況越來越復雜,給水泵汽輪機故障,尤其是葉片損傷及斷裂等事故頻發[3-8],給大型火電機組的安全穩定運行帶來了很大困擾,影響了火電廠的設備安全和經濟效益。 

某電廠超超臨界機組給水泵汽輪機為單缸、雙汽源、高低壓汽源內切換、沖動凝汽式、下排汽式汽輪機。該給水泵汽輪機投入運行不足8 000 h其第4級動葉片就發生斷裂事故,導致給水泵汽輪機緊急停運,轉子第4級動葉片的材料為20Cr13鋼。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該超超臨界機組給水泵汽輪機轉子第4級動葉片的斷裂原因,并提出改進建議,以避免該類事故再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂葉片為給水泵汽輪機的第4級動葉片,該級葉片長度為160 mm,葉根為樅樹型。斷裂葉片的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂位置為葉根的第3級樅樹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而產生的摩擦痕跡,摩擦區域明顯發亮；斷口與葉片長度方向垂直,斷口保存完好,整體較為齊平,未見明顯塑性變形；斷口上的大部分區域可以觀察到許多互相平行的“海灘狀”疲勞輝紋,從疲勞輝紋的擴展及收斂方向可以推斷,起裂區位于葉根R角周向兩側的邊緣,在兩側邊緣均可以觀察到多處疲勞起裂源區；斷口上大部分區域為擴展區,面積占比約為90%,瞬斷區位于出汽側拐角區域,面積占比約為10%；葉片根部未見明顯的腐蝕坑及機械損傷等缺陷。 

圖  1  斷裂葉片的宏觀形貌

相鄰未斷裂葉片的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：葉片葉型部位有輕微機械損傷,葉根的第2,3級樅樹R角部位存在明顯因葉根與葉根槽沿葉輪切向擺動而產生的摩擦痕跡,摩擦區域表面發亮。 

圖  2  相鄰未斷裂葉片的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

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

1.3   金相檢驗

在斷裂葉片斷口處截取金相試樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖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,裂紋呈穿晶擴展形貌,斷口上未見枝杈狀裂紋形貌, 

圖  3  斷裂葉片的微觀形貌

斷口附近未見明顯腐蝕坑,在斷口兩側邊緣起裂區附近的側面R角部位可以觀察到多條與斷口互相平行的微裂紋；組織中存在粗系1.5級的環狀氧化物類(D類)非金屬夾雜物,符合標準GB/T 8732—2014對20Cr13鋼的非金屬夾雜物要求。 

1.4   力學性能測試

在斷裂葉片上截取試樣,對試樣分別進行硬度和常溫沖擊性能測試,結果如表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行超聲波清洗后,利用掃描電鏡對其進行觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：斷口的周向兩側邊緣均存在多處起裂源區,各起裂源區均位于邊緣摩擦損傷區域,且起裂源區內存在多條微裂紋；各起裂源區均未見明顯的腐蝕坑及嚴重夾雜物等缺陷；擴展區可觀察到明顯互相平行的疲勞條帶,未見解理開裂及沿晶開裂等脆性開裂特征形貌；瞬斷區可觀察到大量的韌窩,部分韌窩底部有細小顆粒,呈現典型的韌性斷裂特征。 

圖  4  斷裂葉片斷口的SEM形貌

利用能譜分析技術對葉片斷口的起裂源區進行分析,結果如圖5所示。由圖5可知：葉片斷口起裂源區主要含有Fe、Cr、Mn、C、O和Si等元素,未見腐蝕性元素Cl。 

圖  5  葉片斷口起裂源區的能譜分析結果

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗結果可知：該給水泵汽輪機斷裂葉片的化學成分、顯微組織、力學性能均符合標準要求,斷裂葉片葉型及葉根處均未見明顯腐蝕坑；斷口起裂源區未發現腐蝕性元素Cl,因此可以排除應力腐蝕損傷的可能[9-10]。經核查,該給水泵汽輪機未發生不當起停、使用載荷不當、轉子振動過大、超載荷、超速及進汽參數超標等情況,也未見水或濕蒸汽沖擊現象。 

在給水泵汽輪機的運行過程中,當高溫、高壓蒸汽經過靜葉柵進入動葉片時,靜葉片的出汽側邊緣有一定的厚度,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不均勻的汽流場,旋轉的動葉片每經過一個靜葉槽道時,就會受到一次汽流激振力的沖擊,進而使葉片發生振動[11-12]。當動葉片的葉根與葉根槽裝配間隙誤差較大時,葉片的激振振動程度會加劇,葉根與葉根槽發生相對微動摩擦,摩擦區域易發生微動疲勞開裂現象,進而使葉片疲勞斷裂。 

現場檢查給水泵汽輪機時,發現部分第4級動葉片存在葉根與葉根槽裝配間隙過大、沿葉輪周向松動現象。同時觀察到斷裂葉片斷口邊緣及松動未斷裂葉片的葉根R角處均存在與葉根槽沿葉輪切向微動摩擦的痕跡,摩擦痕跡細密且光亮,說明在給水泵運行過程中,裝配松動葉片的振動程度較嚴重,葉根與葉根槽之間發生了微動摩擦[13-14]。 

葉片斷口上大部分區域為疲勞擴展區,且疲勞條帶尺寸及間隙細小,瞬斷區面積較小。說明在給水泵汽輪機運行過程中,動葉片承受的載荷不大,且主要承受了交變循環載荷,葉片斷裂性質為典型的高周低應力疲勞斷裂。 

綜上所述,該超超臨界機組給水泵汽輪機第4級動葉片的斷裂原因是葉片裝配質量差,葉片存在明顯松動,在交變振動載荷的作用下,葉根與葉根槽接觸部位發生微動疲勞開裂,最終導致葉片斷裂。 

3.   結論與建議

超超臨界機組給水泵汽輪機的第4級動葉片裝配不當,葉根與葉根槽裝配間隙偏大,導致葉片存在明顯松動；在長期較高水平的交變振動載荷作用下,部分裝配間隙較大的葉片沿葉根與葉根槽接觸部位產生微動疲勞損傷,葉根周向兩側的邊緣發生雙向多源性疲勞開裂,裂紋逐步擴展,最終導致葉片斷裂。 

建議對高速轉動的給水泵汽輪機各級動葉片葉根與葉根槽之間選擇過度配合或過盈配合,避免轉子高速轉動過程中葉片發生異常振動。對于重要金屬部件,在機組投運后應結合機組檢修計劃做好監督檢驗工作。

文章來源——材料與測試網