分享：超超临界火电机组给水泵汽轮机20Cr13钢动叶片断裂原因

近年来,随着新能源发电的大规模并网,大容量的火电机组承担调峰任务[1-2],导致火电机组中额定转速高、变转速运行的给水泵汽轮机运行工况越来越复杂,给水泵汽轮机故障,尤其是叶片损伤及断裂等事故频发[3-8],给大型火电机组的安全稳定运行带来了很大困扰,影响了火电厂的设备安全和经济效益。 

某电厂超超临界机组给水泵汽轮机为单缸、双汽源、高低压汽源内切换、冲动凝汽式、下排汽式汽轮机。该给水泵汽轮机投入运行不足8 000 h其第4级动叶片就发生断裂事故,导致给水泵汽轮机紧急停运,转子第4级动叶片的材料为20Cr13钢。笔者采用一系列理化检验方法分析了该超超临界机组给水泵汽轮机转子第4级动叶片的断裂原因,并提出改进建议,以避免该类事故再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂叶片为给水泵汽轮机的第4级动叶片,该级叶片长度为160 mm,叶根为枞树型。断裂叶片的宏观形貌如图1所示。由图1可知：断裂位置为叶根的第3级枞树R角处,该位置断口附近存在明显因叶根与叶根槽沿叶轮切向摆动而产生的摩擦痕迹,摩擦区域明显发亮；断口与叶片长度方向垂直,断口保存完好,整体较为齐平,未见明显塑性变形；断口上的大部分区域可以观察到许多互相平行的“海滩状”疲劳辉纹,从疲劳辉纹的扩展及收敛方向可以推断,起裂区位于叶根R角周向两侧的边缘,在两侧边缘均可以观察到多处疲劳起裂源区；断口上大部分区域为扩展区,面积占比约为90%,瞬断区位于出汽侧拐角区域,面积占比约为10%；叶片根部未见明显的腐蚀坑及机械损伤等缺陷。 

图  1  断裂叶片的宏观形貌

相邻未断裂叶片的宏观形貌如图2所示。由图2可知：叶片叶型部位有轻微机械损伤,叶根的第2,3级枞树R角部位存在明显因叶根与叶根槽沿叶轮切向摆动而产生的摩擦痕迹,摩擦区域表面发亮。 

图  2  相邻未断裂叶片的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断裂叶片上截取试样,使用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：断裂叶片的化学成分符合GB/T 8732—2014 《汽轮机叶片用钢》对20Cr13钢的要求。 

1.3   金相检验

在断裂叶片断口处截取金相试样,对试样进行金相检验,结果如图3所示。由图3可知：叶片表层及基体的组织均为回火马氏体；叶片断口较为平整,裂纹呈穿晶扩展形貌,断口上未见枝杈状裂纹形貌, 

图  3  断裂叶片的微观形貌

断口附近未见明显腐蚀坑,在断口两侧边缘起裂区附近的侧面R角部位可以观察到多条与断口互相平行的微裂纹；组织中存在粗系1.5级的环状氧化物类(D类)非金属夹杂物,符合标准GB/T 8732—2014对20Cr13钢的非金属夹杂物要求。 

1.4   力学性能测试

在断裂叶片上截取试样,对试样分别进行硬度和常温冲击性能测试,结果如表2所示。由表2可知：断裂叶片的表层硬度、基体硬度以及冲击吸收能量均符合GB/T 8732—2014对20Cr13钢的要求。 

1.5   扫描电镜(SEM)及能谱分析

将断裂叶片的断口进行超声波清洗后,利用扫描电镜对其进行观察,结果如图4所示。由图4可知：断口的周向两侧边缘均存在多处起裂源区,各起裂源区均位于边缘摩擦损伤区域,且起裂源区内存在多条微裂纹；各起裂源区均未见明显的腐蚀坑及严重夹杂物等缺陷；扩展区可观察到明显互相平行的疲劳条带,未见解理开裂及沿晶开裂等脆性开裂特征形貌；瞬断区可观察到大量的韧窝,部分韧窝底部有细小颗粒,呈现典型的韧性断裂特征。 

图  4  断裂叶片断口的SEM形貌

利用能谱分析技术对叶片断口的起裂源区进行分析,结果如图5所示。由图5可知：叶片断口起裂源区主要含有Fe、Cr、Mn、C、O和Si等元素,未见腐蚀性元素Cl。 

图  5  叶片断口起裂源区的能谱分析结果

2.   综合分析

综合上述理化检验结果可知：该给水泵汽轮机断裂叶片的化学成分、显微组织、力学性能均符合标准要求,断裂叶片叶型及叶根处均未见明显腐蚀坑；断口起裂源区未发现腐蚀性元素Cl,因此可以排除应力腐蚀损伤的可能[9-10]。经核查,该给水泵汽轮机未发生不当起停、使用载荷不当、转子振动过大、超载荷、超速及进汽参数超标等情况,也未见水或湿蒸汽冲击现象。 

在给水泵汽轮机的运行过程中,当高温、高压蒸汽经过静叶栅进入动叶片时,静叶片的出汽侧边缘有一定的厚度,使气体在静叶栅出口部位的压力和速率降低,沿叶轮切向形成一个不均匀的汽流场,旋转的动叶片每经过一个静叶槽道时,就会受到一次汽流激振力的冲击,进而使叶片发生振动[11-12]。当动叶片的叶根与叶根槽装配间隙误差较大时,叶片的激振振动程度会加剧,叶根与叶根槽发生相对微动摩擦,摩擦区域易发生微动疲劳开裂现象,进而使叶片疲劳断裂。 

现场检查给水泵汽轮机时,发现部分第4级动叶片存在叶根与叶根槽装配间隙过大、沿叶轮周向松动现象。同时观察到断裂叶片断口边缘及松动未断裂叶片的叶根R角处均存在与叶根槽沿叶轮切向微动摩擦的痕迹,摩擦痕迹细密且光亮,说明在给水泵运行过程中,装配松动叶片的振动程度较严重,叶根与叶根槽之间发生了微动摩擦[13-14]。 

叶片断口上大部分区域为疲劳扩展区,且疲劳条带尺寸及间隙细小,瞬断区面积较小。说明在给水泵汽轮机运行过程中,动叶片承受的载荷不大,且主要承受了交变循环载荷,叶片断裂性质为典型的高周低应力疲劳断裂。 

综上所述,该超超临界机组给水泵汽轮机第4级动叶片的断裂原因是叶片装配质量差,叶片存在明显松动,在交变振动载荷的作用下,叶根与叶根槽接触部位发生微动疲劳开裂,最终导致叶片断裂。 

3.   结论与建议

超超临界机组给水泵汽轮机的第4级动叶片装配不当,叶根与叶根槽装配间隙偏大,导致叶片存在明显松动；在长期较高水平的交变振动载荷作用下,部分装配间隙较大的叶片沿叶根与叶根槽接触部位产生微动疲劳损伤,叶根周向两侧的边缘发生双向多源性疲劳开裂,裂纹逐步扩展,最终导致叶片断裂。 

建议对高速转动的给水泵汽轮机各级动叶片叶根与叶根槽之间选择过度配合或过盈配合,避免转子高速转动过程中叶片发生异常振动。对于重要金属部件,在机组投运后应结合机组检修计划做好监督检验工作。

文章来源——材料与测试网