汽輪機(jī)葉片斷裂分析

1、汽輪機(jī)葉片斷裂失效分析汽輪機(jī)葉片斷裂失效分析盛瀟君魏嵩徐正平霍登武前言 葉片按其工作性質(zhì)可分為動(dòng)葉片及靜葉片兩種類型。 動(dòng)葉片又稱為工作葉片，主要起傳遞動(dòng)力的作用；靜葉片又稱為導(dǎo)向葉片，主要起導(dǎo)向流體的作用。 葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主要受拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力的作用；除此之外，葉片還受到激振的作用，其振動(dòng)頻率對葉片壽命有較大的影響。 葉片的失效形式，主要是疲勞失效；但也可能出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂、塑性變形等失效形式。在疲勞失效中，尤其是動(dòng)葉片疲勞失效，往往是振動(dòng)起很大作用；應(yīng)當(dāng)指出，微振失效也是葉片失效的重要形式之一。 按葉片的斷裂或損傷的部位劃分失效類型，可分為三種類型： （1）葉身斷裂失效； （2）葉根

2、斷裂失效； （3）葉冠或葉頂失效。 本文將介紹葉片失效分析實(shí)例，并列出疲勞損失的類型并簡單理論分析。葉片斷裂分析實(shí)例1 .汽輪機(jī)的靜葉片斷裂失效汽輪機(jī)的靜葉片斷裂失效 燃汽輪機(jī)的靜葉片材質(zhì)為1cr13鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用。裝機(jī)運(yùn)行不久就發(fā)現(xiàn)靜葉片斷裂失效。拆機(jī)檢查，用肉眼或放大鏡觀察，發(fā)現(xiàn)靜葉片的斷口形貌較平滑，具有疲勞斷裂的宏觀形貌特征；另外還觀察到靜葉片的自由端損傷較嚴(yán)重。在正常情況下自由端是不接觸任何物體的，但由于裝配間隙較小，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能碰觸側(cè)壁而損傷。靜葉片斷口的宏觀外貌如圖131所示。箭頭指示處為裂源。用電子顯微鏡觀察，進(jìn)一步證實(shí)裂源的微觀形貌特征為準(zhǔn)解理斷裂，裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌

3、特征為疲勞輝紋標(biāo)記，如圖132及133所示。與振動(dòng)疲勞斷口相比較，靜葉片斷口的疲勞輝紋形態(tài)與其極為相似，因此可認(rèn)為靜葉片是由于裝配不當(dāng)引起的振動(dòng)疲勞斷裂。 230萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)葉片失效萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)葉片失效圖象說明：失效葉片宏觀外貌，可觀察到有一裂紋，根據(jù)裂紋的外形可知裂源起始于葉片的排氣側(cè)，向進(jìn)氣側(cè)擴(kuò)展.失效葉片為大型汽輪機(jī)組上的動(dòng)葉片，安裝于某廠30萬千瓦發(fā)電機(jī)上，材料為2cr13鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，使用數(shù)年后在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)有裂紋。失效葉片外觀如圖134所示，將其放大后裂紋外觀形貌如圖135所示。把失效葉片裂紋打開，其斷口宏觀形貌如圖136所示，用透射電鏡觀察裂源區(qū)，其微觀形貌如圖137及13

4、8所示；裂紋擴(kuò)展區(qū)的tem微觀形貌如圖139所示；裂紋被機(jī)械壓斷部分的tem圖像如圖1310所示。從葉片斷口的宏觀、微觀形貌特征，說明葉片具有腐蝕疲勞斷裂特征。葉片工作時(shí)蒸汽的沖力使排氣側(cè)處于較高的拉應(yīng)力狀態(tài)，高溫蒸汽提供了腐蝕性的環(huán)境，使葉片形成腐蝕疲勞裂紋，這種情況在汽輪機(jī)動(dòng)葉片上曾多次出現(xiàn)。3.3.輪機(jī)（輪機(jī)（129）機(jī)組第）機(jī)組第10級(jí)動(dòng)葉片斷裂失效級(jí)動(dòng)葉片斷裂失效圖象說明圖象說明 汽輪機(jī)（汽輪機(jī)（129129機(jī)組第機(jī)組第1010級(jí)動(dòng)葉片斷口宏觀級(jí)動(dòng)葉片斷口宏觀形貌，按其特征可將葉片斷口劃分為形貌，按其特征可將葉片斷口劃分為a a、b b、c c、d d四個(gè)區(qū)域，即裂源區(qū)、疲勞裂紋四個(gè)

5、區(qū)域，即裂源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬時(shí)斷裂區(qū)即剪切唇區(qū)。擴(kuò)展區(qū)、瞬時(shí)斷裂區(qū)即剪切唇區(qū)。汽輪機(jī)葉片事故分析 汽輪機(jī)葉片的損壞形式主要是疲勞斷裂。由于葉片工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜，斷裂事故較常發(fā)生，且后果又較嚴(yán)重，所以對葉片斷裂事故的分析研究一直受到特別重視。按照葉片斷裂的性質(zhì)，可以分為短期超載疲勞損壞、長期疲勞損壞、高溫疲勞損壞、應(yīng)力疲勞損壞、腐蝕疲勞損壞、接觸疲勞損壞等六鐘。 1、 期超載疲勞損壞 這種損壞是指葉片受到外加較大應(yīng)力或受到較大激振力，而振動(dòng)次數(shù)低于107次就發(fā)生斷裂的機(jī)械疲勞損壞。如葉片受到水擊而承受較大的應(yīng)力，或因轉(zhuǎn)子不平引起振動(dòng)及安裝不良存在周期力等較大的低頻激振力，當(dāng)這些力

6、引起葉片共振時(shí)，葉片會(huì)很快斷裂。 葉片短期超載疲勞損壞的宏觀特征為：斷面粗糙，疲勞前沿線（即貝殼紋）不明顯，斷面上疲勞區(qū)面積小于最終靜撕斷區(qū)面積；經(jīng)受水擊而損壞的葉片的斷面呈“人”字形紋絡(luò)特征。 防止短期超載疲勞損壞的主要方法是：防止水擊，作好消除低頻共振的調(diào)頻及在正常周波下運(yùn)行。 2、長期疲勞損壞 長期疲勞損壞是指葉片運(yùn)行中承受低于疲勞強(qiáng)度極限而應(yīng)力循環(huán)次數(shù)又遠(yuǎn)高于107次發(fā)生的一種機(jī)械疲勞損壞。 造成長期疲勞損壞的原因有：葉片或葉片組在高頻激振力作用下引起的共振損壞；葉片表面缺陷處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中而發(fā)生的疲勞損壞；低頻率運(yùn)行、超負(fù)荷運(yùn)行使某些級(jí)的葉片應(yīng)力升高導(dǎo)致提早損壞等等。長期疲勞損壞在

7、電廠葉片斷裂事故中最為常見。 防止長期疲勞損壞的辦法是：按規(guī)定避開高頻激振力共振范圍，提高葉片加工質(zhì)量和改善運(yùn)行條件。如防止低周波、超負(fù)荷運(yùn)行，防止腐蝕和水擊等 3、 高溫疲勞損壞 高溫疲勞損壞是指由蠕變和疲勞共同作用所形成的介于靜應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變和動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生的勞之間的一種損壞形式。裂紋源部位呈蠕變現(xiàn)象，斷裂性質(zhì)為持久斷裂和疲勞斷裂的組合，而且往往伴隨著材料組織的變化。 高溫疲勞損壞裂紋基本上是穿晶的，斷口宏觀貌有貝殼花紋，斷口微觀貌有較厚的氧化皮。 高溫疲勞損壞發(fā)生在高壓缸前幾級(jí)葉片、中間再熱式汽輪機(jī)中壓缸前幾級(jí)葉片以及中壓汽輪機(jī)的調(diào)速級(jí)葉片。 防止高溫疲勞損壞的主要措施是：選用高溫性能好的金

8、屬來制造處于高溫下工作的葉片，防止葉片共振，防止葉片徑向和軸向相摩擦等。 4、 應(yīng)力腐蝕損壞 產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要原因是：首先，金屬晶界偏析，析出碳化物，出現(xiàn)貧鉻區(qū)，使晶界腐蝕；其次，應(yīng)力作用；然后，高濃度鹽的腐蝕。應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在2cr13鋼制造的末級(jí)葉片上。其斷口形貌呈顆粒狀，微觀形態(tài)是沿界裂紋，斷面上有滑移臺(tái)階，并有細(xì)小腐蝕坑。 防止葉片應(yīng)力腐蝕損壞的只要措施是：改善汽水品質(zhì)、提高葉片材質(zhì)、降低葉片動(dòng)應(yīng)力等。 5、 腐蝕疲勞損壞 腐蝕疲勞損壞是葉片在腐蝕介質(zhì)中受交變應(yīng)力作用而引起的疲勞損壞。如損壞是以機(jī)械疲勞為主，則裂紋發(fā)展迅速，裂紋為穿晶型；如損壞是以應(yīng)力腐蝕為主，則裂紋發(fā)展較慢，裂紋主要是沿晶型。 防止腐蝕疲勞損壞的主要措施是：提高葉片材質(zhì)耐腐蝕性；降低交變應(yīng)力水平；改善汽水品質(zhì)。6、接觸疲勞損壞 接觸疲勞損壞是由于葉片根部松動(dòng)，葉根參加振動(dòng)，使葉根之間或葉片與葉輪機(jī)接觸面產(chǎn)生往復(fù)微量相對摩擦運(yùn)動(dòng)而造成的一種機(jī)械損壞。 由于摩擦表面材料晶體滑移和硬化，使硬化區(qū)內(nèi)產(chǎn)生許多