汽轮机调节级叶片断裂机理研究和改型设计.pdfVIP

汽轮机调节级叶片断裂机理研究及改型设计 徐自力，和赛南，上官博 （西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049） 摘 要：某汽轮机调节级叶片连续两次发生了断裂事故，为找出失效机理及解决断裂的对策，采用金相、扫描电镜等 手段对叶片及断口进行了分析，研究表明裂纹是高周疲劳造成的。采用三维有限元法对叶片振动特性的计算分析发现， 在工作状态下温度和离心力作用使得轮缘周向尺寸增大，导致振动下传到叶根平台甚至叶根径向支撑面，不仅导致叶 片固有频率小于相应静频值，而且模态阶序发生了转移和变化，在静止时，叶片的固有模态依次为切向、轴向，而工 作状态下改变为轴向、切向。计算结果表明存在轴向、切向振动模态两种共振问题，通常在事故分析中忽视了模态阶 序的转移，仍以静止时的模态为依据，这样将难以找到共振的根源及改型设计的合理对策。最后，仅调整叶根颈部尺 寸对叶片进行了改型，目前已安全运行 2 年多，说明本文所分析事故原因正确，改型设计合理。该研究为调节级叶片 的设计和改进提供参考。 关键词：汽轮机；失效机理；叶片；振动；共振 某型号汽轮机调节级叶片在投运不到5个月的 失效机理。针对叶片失效的原因，对叶片进行改型 时间内先后两次出现断裂事故。第1次是在运行不到 设计，目前改型后的叶片已安全运行了 2 年多。调 两个月，转子振动突然增大，开缸检查发现有6只调 节级叶片在汽轮机高压缸中事故率最高[3]，本文的 节级叶片从根部断裂。该级叶片采用在围带顶部和 研究将对调节级叶片的设计和完善提供参考。 叶根底部开坡口焊接，两片成组形成双胞胎。在叶 片事故分析中，仅考虑了温度和离心力作用使得轮 1 失效模式的确定 缘周向尺寸增大，造成叶根松动，导致振动延伸到 叶根，振动下传导致叶片固有频率降低，没有考虑 采用宏观和微观的方法对第2次损坏的一组双 到振动下传导致的模态阶序的转移，仍认为第1阶模 胞胎叶片进行了分析，宏观检查发现叶片裂纹发生 态和振动不下传时一致为切向振动，因此叶片裂纹 在根颈处，有多条裂纹，见图1，其中一条裂纹几 被认为仅是切向振动引起的高周疲劳造成的，在事 乎穿透整个叶根，叶根间的焊缝比较粗糙。断面的 故处理上主要是针对切向振动想办法，故对叶片成 宏观检查可以看出，裂纹有明显的疲劳特征,可分辨 组焊接方式进行了改进，并增加了叶根侧部坡口焊 出裂纹的源区、扩展区，疲劳源位于叶根承载面过 形成双胞胎叶片。然而，在事故叶片整级更换后， 渡圆弧和叶根外表面交接的尖锐过度角处，表面有 机组运行了10多天后出现振动异常，停机开缸检查， 腐蚀产物与坑。 再次发现有3只调节级叶片出现了断裂现象，其中2 采用扫描电镜对经丙酮清洗后的断口表面进 只叶片从叶轮上卸下时已断开，另1只具有明显的裂 行了观察，由于在扩展过程中裂纹面间的摩擦及挤 纹。1 压作用，源区较为平坦，已经看不到疲劳源的原始 该机组前后两次出现的断叶事故，给电厂带来 形貌特征，但仍能确定源区的位置。裂纹线垂直于 了巨大的直接和间接经济损失。为了尽快确定叶片 裂纹的扩展方向,断口可以明显看到具有光亮的贝 断裂的机理，找到叶片改进的措施，从宏观和微观 壳状花纹的疲劳扩展区，具有典型的高周疲劳特 的角度对叶片和断口进行了观察和分析，定性地确 征，也有腐蚀疲劳的痕迹。微观检查发现结构的组 定了叶片失效的模式。采用三维有限元实体单元模 织为回火马氏体, 晶粒度并不粗大，但在基本组织 型对叶片的振动特性进行了计算，特别考虑了离心 的晶界有少许非金属夹杂物。 力和温度等因素造成叶