張 弼

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

某公司電站配置2臺由上海汽輪機廠設計制造的 C50-10.4/4.41型50 MW汽輪機， 單缸、 沖動， 具有1級調(diào)整抽汽的抽凝機組。轉(zhuǎn)子系采用鉻鉬釩珠光體鋼整體鍛造和套裝葉輪組合式結(jié)構(gòu)， 一共有16級葉片， 其中有2級為調(diào)節(jié)級。末3級葉片采用長扭自由葉片， 材料為2Cr12MoV，其中次末級葉片葉高378 mm，末級葉片葉高540 mm。機組投運5年后，2臺汽輪機陸續(xù)發(fā)生葉片斷裂事故，斷口均在葉根過渡區(qū)圓角處。頻繁的葉片斷裂事故給裝置和電網(wǎng)的平穩(wěn)運行造成重大影響,也給公司造成了巨大的經(jīng)濟損失。

1 故障現(xiàn)象

汽輪發(fā)電機在穩(wěn)定工況運行時，在未有任何先兆的情況下，其前、后軸承振動突然大幅上升，數(shù)秒內(nèi)直接竄升至聯(lián)鎖值(≥254 μm)造成機組停機。同時，前、后徑向軸瓦溫度也略有上升。

經(jīng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分析，認為質(zhì)量不平衡和碰磨是振動突然升高的主要原因。機組冷卻揭缸后，發(fā)現(xiàn)次末級(第15級)有一葉片(整級共102片)于葉根處斷裂，斷裂面與葉輪輪槽基本齊平，斷口呈明顯疲勞斷裂特征，如圖1所示。

同時斷裂葉身在高速離心力作用下還對其他相鄰葉片及隔板造成了沖擊損傷。

首次事故發(fā)生后采取更換受損葉片的方法進行修復， 并對其他葉片進行磁粉檢測、 靜頻率測試以查看葉片質(zhì)量。檢查合格的回裝， 繼續(xù)使用。由于未從根本上解決問題， 其后的1年間2臺機組又連續(xù)發(fā)生了多次葉片斷裂事故， 斷裂級均為次末級， 斷口位置、 形貌基本與第一次相同。

圖1 葉根斷裂及葉片損傷情況

2 原因分析

汽輪機發(fā)生葉片斷裂事故后，通過對其材質(zhì)進行分析以及建立數(shù)學模型并進行有限元分析等方法分析葉片斷裂原因，對葉片強度、應力進行理論核算，查找根本原因。

2.1 材質(zhì)分析

對斷裂葉片進行材質(zhì)及金相分析。材質(zhì)分析結(jié)果見表1。由表1可知，材料的化學成分符合設計要求。金相分析結(jié)果顯示，其金相組織為回火索氏體，晶粒度正常，無夾雜物。上述結(jié)果說明，該葉片材質(zhì)良好。

表1 斷裂葉片的材質(zhì)分析(2Cr12MoV) w,%

2.2 斷口分析

次末級葉片設計采用外包雙倒T形葉根型式，其斷裂部位在葉根過渡區(qū)圓角截面處，如圖2所示。由圖2可見，除快速折斷區(qū)表面較為粗糙外，斷口表面整體較為平順光滑，呈現(xiàn)出明顯的金屬疲勞斷裂特征。經(jīng)分析判斷，該斷口裂紋起源處位于進汽邊內(nèi)弧側(cè)的葉根過渡圓角區(qū)域，快速折斷區(qū)約占整個斷面面積的30%,其余均為疲勞斷裂區(qū)。

圖2 斷裂葉片葉根過渡圓角處的斷口形貌

2.3 頻率校核

現(xiàn)場對葉片靜頻進行測試，測試結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)分布在205.0～218.0 Hz區(qū)域，其分散度計算如下：

(1)

式中：Δf——葉片靜頻分散度；

fmax——測試最大靜頻，Hz；

fmin——測試最小靜頻，Hz。

經(jīng)計算，葉片靜頻分散度為6.14%，符合≤8%的要求，說明葉片靜頻值正常。

工作狀態(tài)下的葉片靜頻計算如下：

(2)

式中：fi——溫度70 ℃時的葉片靜頻，Hz；

f0——次末級葉片靜頻測量值的平均值,Hz；

E0——溫度20 ℃時，材料 2Cr12MoV 的彈性模量，N/mm2；

Et——溫度70 ℃時，材料 2Cr12MoV 的彈性模量，N/mm2。

其中f0=210.9 Hz ，

E0=21.6×104N/mm2，

Et=21.4×104N/mm2。

動頻計算：

(3)

式中：fd——溫度為70 ℃、機組轉(zhuǎn)速為n時的葉片動頻值，Hz；

B——葉片的動頻系數(shù)；

n——機組轉(zhuǎn)速，r/min。

葉片靜、動頻計算結(jié)果見表2。

表2 葉片頻率計算結(jié)果(工作溫度70 ℃)

根據(jù)葉片頻率計算結(jié)果可以得到相應的坎貝爾圖，如圖3所示。從圖3中可以了解到：在2 700 r/min時，葉片會產(chǎn)生5倍共振；在轉(zhuǎn)速n=2 200 r/min時，葉片會產(chǎn)生6倍共振。而發(fā)電汽輪機的正常運行轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，偏離共振區(qū)域較遠。但如果機組頻繁啟停，也可能造成一定影響。該機組運行的5年間，共開停31次，每次開機均會安排機組主汽門、高調(diào)閥進行嚴密性試驗和注油試驗等，加上機組超速試驗，5年累計通過共振區(qū)域次數(shù)已超百次。而且，次末級葉片的一階振型為切向Ao型振動，是一種比較危險的振動形式【1】。次末級葉片一階振型俯視圖如圖4所示。

圖3 次末級葉片坎貝爾圖

通過圖2和圖4的對比可以發(fā)現(xiàn)，實際葉根斷口表面疲勞裂紋的延展方向與理論測算得出的葉片一階振型方向相符合，實際的裂紋源與理論測算一致。

圖4 次末級葉片一階振型俯視圖

2.4 葉片強度計算

當機組運行時，作用在葉片上的有2種力，分別是葉片隨軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力和高壓蒸汽沖擊葉片所產(chǎn)生的汽流作用力。該葉片為長扭自由葉片，其進汽、出汽、背弧邊時的應力計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 葉片進汽、出汽、背弧邊時的應力變化(n=3 000 r/min)

由圖5可見，該葉片運行期間最大應力為144.9 MPa，位于約0.1倍葉高(即37 mm左右)處。葉片材料為2Cr12MoV，其屈服極限按下限考慮為590 MPa，則安全系數(shù)K=590/144.9=4.07，滿足≥1.6的要求【2】。上述結(jié)果說明，該葉片自身強度無問題。

2.5 葉根強度計算

葉根按實體尺寸進行數(shù)學建模，其中倒角r=1.5 mm，葉根寬度b=25.7 mm。靜強度計算結(jié)果如圖6和表3所示。

由表3可見：次末級動葉葉根的拉應力滿足安全系數(shù)K拉≥2.5的要求；擠壓應力滿足安全系數(shù)K擠≥1.25的要求；剪應力滿足安全系數(shù)K剪≥3.3的要求。

圖6 次末級葉根強度計算示意

上述材料力學解析方法的計算結(jié)果顯示，各截面的理論應力均符合安全要求。但是，此計算結(jié)果得出的僅是各截面的平均應力，仍需要進一步考慮截面圓角處的應力集中情況，因此需要采用有限元方法精準計算。

表3 次末級葉片葉根靜強度計算值

有限元方法計算得到的葉根應力分布如圖7所示。

圖7 次末級葉片葉根應力

從有限元模型中可以看到，最大應力值為σmx=459.7 MPa(標注MX處)，其余節(jié)點的應力值明顯小于上述應力值，其中裂紋起始點應力為285.8 MPa。按第四強度理論進行有限元計算時，葉根應力集中處的應力許用值一般可取到屈服極限左右【3】。因此，葉片的最大應力值仍遠小于材料的屈服下限，其靜強度是足夠的。

通過葉片靜強度計算結(jié)果，可以得到應力集中系數(shù)用于葉片動強度計算。選取疲勞裂紋源和最大應力處的應力集中點進行計算。

具體如下：

α=σmx/σH

(4)

αmx=σmx/σH=459.7/157.5=2.9

其中裂紋起始點

α=σ/σH=285.8/157.5=1.8

式中：α——應力集中系數(shù)；

αmx——應力集中系數(shù)最大值；

σH——名義應力，取表3中A-A截面的拉應力值，MPa。

通常計算葉片動強度時，型線底部圓角處的應力集中系數(shù)取α≤1.3。由此可見，葉根內(nèi)弧側(cè)的過渡圓角區(qū)的應力集中系數(shù)明顯偏高，應是造成機組運行中葉片于葉根處斷裂的主要原因。

3 結(jié)論

該型號的汽輪機多次出現(xiàn)葉片斷裂的問題，影響了機組的長周期平穩(wěn)運行，造成了較大的經(jīng)濟損失和社會影響。通過對其頻繁斷裂的成因進行細致分析，找到了葉片斷裂的根本原因，并就此提出了幾點論據(jù)和改進建議。

1) 葉片斷裂的直接原因是振動疲勞，葉片的材質(zhì)分析和斷口失效分析可以佐證這一點。

2) 進汽邊內(nèi)弧側(cè)葉根A-A截面的圓角處存在明顯的應力集中，再加上葉片自身一階切向振動的屬性，是造成裂紋源出現(xiàn)的主要原因。為了降低此處的應力集中，可以對葉根位置進行調(diào)整，增大圓角r值，提高安全系數(shù)和動應力條件下的承載能力。

3) 機組運行時，葉片長期微振會使裂紋逐步延展。該發(fā)電機組的工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，運行期間不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，振動應力不大，因此裂紋的延展較慢，直到機組運行5年后才出現(xiàn)葉片斷裂的問題。同時，因為葉根的靜應力水平不高，所以疲勞裂紋延展到約占整個斷面面積的 70%時，葉片才因離心力的作用被快速拉斷。在機組啟停期間，操作上應快速通過2 200 r/min和2 700 r/min區(qū)域，避免共振影響。

4) 外包雙倒T形葉片的加工精度要求很高。實際使用中，葉片上、下葉根內(nèi)背弧側(cè)面較難做到完全貼合，汽流波動時容易造成葉根微振疲勞?？梢詫⑷~根型式由雙倒T形改為棕樹形，減少加工難度。

5) 將次末級葉片的自由葉片改進為成組拉金或圍帶結(jié)構(gòu)，從而改變?nèi)~片的頻率特性和應力狀態(tài)，提高葉片的安全倍率值，也是一個行之有效的方法。