近年來,隨著火電機組深度調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雜,機組的安全性面臨著巨大挑戰,汽輪機故障,特別是葉片損傷及斷裂等事故頻發[1－4],影響了大型發電機組的安全穩定運行。 

某熱電聯產機組在運行過程中,其汽輪機低壓轉子次末級葉片發生斷裂,導致機組緊急打閘停機。該汽輪機為超臨界參數、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子次末級葉片的斷裂原因進行了分析,并提出了改進建議,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

結合現場勘察,對斷裂的低壓轉子次末級葉片進行宏觀觀察,結果如圖1所示。由圖1可知：斷裂葉片為汽機側低壓轉子次末級葉片,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,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,葉根鑲嵌部位發生嚴重松動。 

圖  1  斷裂葉片的宏觀形貌

對葉片斷口處進行宏觀觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：掉入下缸的葉片葉型部分已發生嚴重損傷形變,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重,但在斷口上的大部分區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,發現斷口的起裂區位于葉片出汽側邊緣處,瞬斷區位于葉片進汽側；斷口上擴展區的面積占比約為70%,瞬斷區的面積占比約為30%；葉片表面未見嚴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   化學成分分析

在斷裂葉片上取樣,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

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

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進行分析,結果如圖4所示。由圖4可知：起裂區未見含有Cl元素的腐蝕性產物。 

圖  4  起裂區的能譜分析結果

1.4   金相檢驗

在葉片斷口處取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖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重δ鐵素體等異常組織,未見嚴重夾雜物缺陷[5]；起裂區及擴展區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果

1.5   硬度測試

在斷裂葉片上取樣,對試樣進行硬度測試,結果如表2所示。由表2可知：斷裂葉片的硬度滿足標準GB/T 8732—2014的要求。 

2.   綜合分析

目前,蒙西電網新能源發電的裝機容量占比已達40%,傳統主力型火電機組的載荷水平普遍長期處于40%～50% BMCR(最大連續出力工況),參與深度調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,極易發生葉片顫振[6－8]。該汽輪機屬于大流量抽汽式汽輪機,進入冬季供暖期,大量中壓缸蒸汽會被抽走用于供熱,導致進入低壓缸的蒸汽流量很低且隨載荷頻繁發生變化。當進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生共振,從而引起葉片的疲勞斷裂。 

斷裂葉片為汽輪機側低壓轉子次末級葉片,葉型較長,中間無拉筋固定。此外,現場檢查發現低壓轉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。在超低載荷及調峰等靈活性運行工況下,葉根松動會加劇葉片的顫振,進而引發葉片的疲勞損傷。葉片斷裂的起裂區位于葉片出汽側邊緣,該位置為葉片幾何弦長方向上尺寸最薄的區域,該區域抵抗疲勞開裂的能力也最弱,在顫振引發的交變疲勞載荷作用下葉片易發生開裂。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,起裂區的能譜分析結果顯示,未發現腐蝕性Cl－的存在,因此可以排除應力腐蝕導致損傷開裂的因素。 

斷口上大部分區域呈“海灘狀”疲勞條帶形貌,擴展區面積占比約為70%,且疲勞條帶尺寸及間隙細小,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力疲勞斷裂。 

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

3.   結論與建議

在超低載荷及調峰等靈活性運行工況下,機組承受的載荷頻繁發生變化；供熱抽汽造成低壓缸進汽量減少、汽流大幅波動,導致末端的長葉片發生顫振；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,在葉片出汽側近葉根部位的應力集中區域萌生了疲勞裂紋；在葉片顫振產生的交變應力作用下,裂紋以疲勞的形式不斷擴展,最終導致葉片整體斷裂。 

建議更換低壓轉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。在整圈葉片間增設拉筋設計,以保障運行狀態下葉片的相對穩固,盡可能減弱葉片的顫振。優化機組運行的策略,避免靈活性運行工況產生的汽流變化對低壓轉子末端長尺寸葉片造成損傷。 

文章來源——材料與測試網