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

     某熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，其汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片發(fā)生斷裂，導(dǎo)致機(jī)組緊急打閘停機(jī)。該汽輪機(jī)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(jī)，其低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片材料為0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，葉型長(zhǎng)度為352mm。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該超臨界汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)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(wèn)題再次發(fā)生。

1、理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

     結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察，對(duì)斷裂的低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)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(jī)側(cè)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片，其中一支葉片斷裂，自葉片根部平臺(tái)上方約20mm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(jí)葉片和末級(jí)葉片擊打損傷；葉型中間無(wú)固定拉筋，葉根鑲嵌部位發(fā)生嚴(yán)重松動(dòng)。

      對(duì)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(jī)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(kuò)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(kuò)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(jī)械損傷等缺陷。

1.2 化學(xué)成分分析

      在斷裂葉片上取樣，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：斷裂葉片中各主要合金元素的含量均符合GB/T 8732—2014 《汽輪機(jī)葉片用鋼》對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的要求。

1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

      對(duì)葉片斷口進(jìn)行超聲清洗，然后利用掃描電子顯微鏡對(duì)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(jī)械損傷等缺陷；擴(kuò)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(shuō)明葉片顫振形成的載荷較小；瞬斷區(qū)大部分區(qū)域呈韌性+準(zhǔn)解理斷裂特征。

     利用X射線能譜儀對(duì)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。

1.4 金相檢驗(yàn)

      在葉片斷口處取樣，對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，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；起裂區(qū)及擴(kuò)展區(qū)裂紋均以穿晶斷裂的方式擴(kuò)展，未見晶粒拉長(zhǎng)畸變、沿晶開裂形貌或夾雜物顆粒等缺陷。

1.5 硬度測(cè)試

       在斷裂葉片上取樣，對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)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(jī)容量占比已達(dá)40%，傳統(tǒng)主力型火電機(jī)組的載荷水平普遍長(zhǎng)期處于40%~50% BMCR(最大連續(xù)出力工況)，參與深度調(diào)峰的機(jī)組最低載荷會(huì)降至20%BMCR。大展弦比的汽輪機(jī)葉片，頻繁且長(zhǎng)期在低載荷工況下運(yùn)行，極易發(fā)生葉片顫振。該汽輪機(jī)屬于大流量抽汽式汽輪機(jī)，進(jìn)入冬季供暖期，大量中壓缸蒸汽會(huì)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20~120t/h時(shí)，葉片的顫振會(huì)更劇烈，顫振的頻率與葉片固有頻率一致時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，從而引起葉片的疲勞斷裂。

     斷裂葉片為汽輪機(jī)側(cè)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片，葉型較長(zhǎng)，中間無(wú)拉筋固定。此外，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子正向和反向的次末級(jí)葉片普遍存在葉根與葉根槽裝配不緊密、松動(dòng)等問(wèn)題。在超低載荷及調(diào)峰等靈活性運(yùn)行工況下，葉根松動(dòng)會(huì)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(zhǎng)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(jí)葉片表面未見明顯的腐蝕坑或機(jī)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(kuò)展區(qū)面積占比約為70%，且疲勞條帶尺寸及間隙細(xì)小，說(shuō)明在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)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(dòng)性新能源大規(guī)模接入的背景下，當(dāng)前火電機(jī)組普遍采用超低載荷及調(diào)峰等靈活性運(yùn)行方式，使抽汽式汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)汽量減少，特別是在深度調(diào)峰運(yùn)行工況下，低壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)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(yùn)行工況下，機(jī)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(dòng)，導(dǎo)致末端的長(zhǎng)葉片發(fā)生顫振；次末級(jí)葉片的葉根尺寸與葉根槽不匹配，使葉根松動(dòng)、葉片晃動(dòng)，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(kuò)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(jí)葉片，改變次末級(jí)葉片葉根與葉根槽的裝配方式，使之形成緊固的過(guò)渡配合或過(guò)盈配合。在整圈葉片間增設(shè)拉筋設(shè)計(jì)，以保障運(yùn)行狀態(tài)下葉片的相對(duì)穩(wěn)固，盡可能減弱葉片的顫振。優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行的策略，避免靈活性運(yùn)行工況產(chǎn)生的汽流變化對(duì)低壓轉(zhuǎn)子末端長(zhǎng)尺寸葉片造成損傷。

作者：張濤1，房軍2，李為剛2，呂磊1，周宏杰1

單位：1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院；

2.北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司 呼和浩特?zé)犭姀S

來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第3期