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失效分析现场直击——某电厂汽轮机叶片断裂失效分析
时间:2019-08-02  点击:132次   来源:网络

在电厂的所有失效事故中,汽轮机叶片失效所占比例最大。疲劳断裂是汽轮机叶片失效类型中最常见的一种。汽轮机叶片所处的工况条件及环境极为恶劣,主要表现在应力状态、工作温度、环境介质等方面。当叶片发生断裂时,断口往往出现在叶片中部和叶片根部。

在工作过程中,汽轮机动叶片承受的是转子旋转时离心力引起的拉应力,蒸汽流压力引起的弯曲应力和扭力;叶片受激振力作用会产生强迫振动,甚至引起共振,复杂的交变应力最终会导致叶片疲劳断裂。汽轮机的每一级叶片工作温度都不相同,第一级叶片所处的温度最高(500℃以上),随后由于蒸汽逐级作功,温度逐级降低,至末级叶片会降到100℃以下,蒸汽在汽轮机运行中易在末级叶片处凝结成小水滴,若蒸汽内存在腐蚀性元素,会与水形成电解液,吸附在叶片表面,形成微电池,造成电化学腐蚀。这些局部腐蚀点将成为叶片的薄弱点,失效也往往从这里起源。

 
图1 汽轮机叶片断裂形式
 
某电厂在汽轮机检修过程中发现汽轮机末5级(共17级)多处叶片断裂。断裂汽轮机叶片如图1所示,图1a)为叶片从根部断裂,图1b)为叶片从中部断裂。为分析叶片断裂原因,笔者对断裂叶片进行了检验与分析。
 
理化检验
 
宏观分析
取4片汽轮机断裂叶片进行分析,目视检查发现其中3片叶片断裂位于叶片根部,1片叶片断裂位于叶片中部,将叶片根部断裂的3片叶片分别命名为1,2,3号试样,将叶片中部断裂的叶片命名为4号试样,4个试样的断口宏观形貌如图2所示。
 
图2 叶片断口宏观形貌
 
根据断口形貌可将叶片断面分为A,B,C3个区域,叶片断面A区到B区较为平整,颜色从青黑色向青灰色过渡,判断A区为断裂源区;断面B区存在贝壳状花纹,可判断B区为裂纹扩展区;断面C区存在呈45°方向的剪切唇形貌,为瞬断区典型特征;该4片断裂汽轮机叶片的断口均为典型的疲劳断口,其中1号试样断口表面被白色物质覆盖。
 
金相检验
对4号试样进行金相检验,其显微组织形貌如图3所示,可见其显微组织为回火索氏体,为正常显微组织。
 
图3 叶片显微组织形貌
 
断口微观分析
对1~4号试样断口表面进行扫描电镜(SEM)分析,结果如图4所示。
 
图4 断口SEM形貌
 
可见1~3号试样断面上存在大量腐蚀产物;4号试样断裂源区存在大量腐蚀坑,有较多二次裂纹,并具有泥纹花样。
 
断口能谱分析
对1号试样的断口表面白色附着物及2~4号试样的断口表面进行能谱(EDS)分析,结果见图5及表1,可见断口表面存在钠、氯、硫等腐蚀敏感元素。
 
图5 汽轮机叶片断口的EDS分析位置和EDS谱
 
表1 汽轮机叶片断口EDS分析结果(质量分数)
%
 
分析与讨论
由金相检验结果可知,叶片材料的显微组织为回火索氏体,为正常显微组织;由宏观分析可知,叶片断面形貌可清晰地分为断裂源区、裂纹扩展区和瞬断区。裂纹扩展区存在贝壳状花纹,瞬断区呈45°方向的剪切唇形貌,为典型的疲劳断裂形貌;由SEM和EDS分析可知,断面存在大量腐蚀产物,有较多二次裂纹,并具有泥纹花样,存在钠、氯、硫等腐蚀敏感元素,表明该汽轮机叶片断裂属于典型的腐蚀疲劳断裂。
 
随着过热蒸汽的膨胀作功,末几级叶片工作温度逐渐降低(60~100℃),压力逐渐减小,蒸汽在此处易凝结成小水滴,蒸汽环境中的Cl-,S2-,Na+等在液态水中浓缩聚集,形成电解液,被叶片金属吸附在表面,从而形成微电池,叶片上产生局部点腐蚀,形成腐蚀疲劳源。汽轮机叶片承受巨大离心力引起的拉应力(静应力)和蒸汽流的压力作用产生的弯曲应力和扭力,同时激振力致使产生强迫振动甚至引起共振,使得汽轮机叶片承受的交变应力急剧增加。在上述周期性交变应力的作用下,叶片产生疲劳裂纹,裂纹逐步扩展,最终因强度不足而断裂;一处叶片断裂后,转子动平衡遭到破坏,振动陡增,加之断裂叶片的撞击,加速了其余叶片的断裂。
 
该汽轮机末5级叶片位于机组低压加热器的进汽口之间,且低压加热器未投入运行。在运行过程中蒸汽不可避免进入低压加热器进汽口,蒸汽在低压加热器的进汽口附近极易凝结成液态水,并伴随着叶轮的旋转,液态水同蒸汽一同作用于叶片表面,加剧动叶片汽蚀。为方便叙述,特将此现象类比我国古代灌溉工具水车命名为“水车”现象。汽轮机某些叶片经常处于类似于此类位置的加热器或者阀门处,蒸汽不可避免地会在此类位置凝结成水,加剧了汽轮机叶片的汽蚀。
 
结论及建议
该汽轮机叶片断裂属于典型的腐蚀疲劳断裂,蒸汽与Cl-,S2-,Na+等在叶片上产生局部点腐蚀,形成腐蚀疲劳源,同时因叶片存在离心力和蒸汽压力等复杂的周期性交变应力,最终造成了汽轮机叶片的腐蚀疲劳断裂
 
建议加强水质的控制与监测,减少水中的腐蚀性离子;在运行过程中要避免急启、急停和工况的大幅变化,尽量减小交变应力和机组振动。
 
 
 
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