低压汽轮机叶片失效调查-武汉理工大学.docx

低压汽轮机叶片失效调查?摘要——本文介绍了210兆瓦火电厂的低压涡轮叶片失效分析。叶片的材料是12％铬钢，回火马氏体组织。微观结构分析以及硬度和拉伸试验没有显示任何的组织和力学性能方面的退化。在钎焊操作不当而形成的钎焊接头中，可观察到物理不连续性。低压汽轮机叶片在服役期间，由于不正确的钎焊操作和腐蚀的影响，会在叶片和拉筋之间的钎焊接头处产生断裂失效。断口的证据表明，裂缝是从叶片上表面，与拉筋界面上各点开始的。在叶片上观察到辉纹和沙点痕迹，表明其上面有高循环荷载作用。从工厂获得的高频数据表明，在操作过程中由于电网频率波动有可能产生过度的振动。因此，共振条件下的振动?，会促进较早产生的裂纹扩展，这使得过度振动进一步恶化。?关键词：火电厂，涡轮叶片失效，振动，疲劳。1.简介汽轮机叶片是电厂的关键组件，它将从压力梯度流下来的高温和高压流体的直线运动转换成涡轮轴的旋转运动。蒸汽从锅炉进入涡轮，穿过如高压（HP），中压（IP）和低压（LP）区域等不同阶段。统计表明，与高压和中压区涡轮叶片相比，低压涡轮叶片通常更容易断裂失效。许多种机器的损坏都是由低压涡轮叶片失效而引起的。几乎50％的断裂失效是和疲劳、应力腐蚀开裂及腐蚀疲劳相关的。蒸汽的非对称流产生的弯曲应力的波动?引起涡轮叶片振动，结果产生疲劳失效。一旦裂缝开始了，组件就被视为失效，因为裂缝的增长速度很快。即使是疲劳失效也能因腐蚀而积累。蠕变损伤对LP叶片并不重要。据报道，失效是从叶片的许多部位开始的，这些失效26％在护罩，20％在拉筋孔，40％在冀型区域，14％在叶片附件上。因此，在叶片的不同长度上失效的机制也各不相同。一般，蒸汽轮机的低压涡轮叶片的设计寿命为30年，但是在使用过程中会遇到许多叶片过早失效的情况。一项最近的调查表明，约40%的失效的原因还不能确定。为减少失效的发生，有必要考虑所有的对叶片使用性能有重要作用的因素。因此，有必要了解叶片材料的冶炼过程、叶片的工作应力及工作环境。由于叶片的设计很复杂，所以实际的应力状态也十分复杂。然而，如果在服役期间没有偏离设计的条件，叶片上的应力状态应该不会引起任何关注。作用在叶片上的应力主要来源于叶片离心载荷和振动响应。?通过（a）确保叶片的频率在一个狭窄的范围内从而避免共振（b）限制蒸汽弯曲应力，振动应力通常保持在低的水平。在特定阶段叶片总数被分成一些组。穿过内外拉筋孔的拉筋将每一组的叶片系在一起。在拉筋孔处把叶片和拉筋焊接在一起，每组的刚度能得到维持。在材料方面，将夹杂物和表面缺陷最小化，以减少疲劳破坏的趋势。关于环境方面，注意蒸汽干度，使腐蚀疲劳不发生。大量的投资用于设计出最好的涡轮，这种涡轮是由具有正确微观结构和力学性能的洁净钢制成。有些失效主要与不适当的保养和操作条件有关。由上述原因产生的失效的认知对防止失效很有作用，并且很大地提高了能源时代的经济效益。?? ?在这篇论文中，提出了210兆瓦火电厂的低压涡轮叶片失效分析的结果。经过五年的调试，该装置首次被检修。在检修后的近两年中，该装置由于在运行过程中高水平的噪音及低压区的振动，而被迫停用。打开涡轮外壳，四个处在第29阶段的涡轮叶片发生断裂。在此次事故中，发生失效的阶段总共有120个叶片，它们被分成15组，每组8个。每一阶段是根据含叶片轮的位置而定义的，这个位置的计算是由从轴到汽轮发电机的低压区的分布而定的。?在现在的该装置中，HP区?和?IP区分别含有11和12个阶段，然而，在LP区的8个阶段是从24到31阶段，在其中的第25和第29阶段，很容易因操作过程中的蒸汽流动而引起振动。启动的总数是325次（即46次冷启动和279次热启动）。涡轮机的操作频率大部分是50HZ，然而，在某一时期也会高于或低于这一水平。在51—51.99HZ的频率范围内，操作的工期是1850小时，52—52.4Hz的范围内工期是200小时。据指出，由于电网频率调节的一些问题，该装置在45.5Hz的频率下工作13秒，两天后就失效了。??这篇论文的目标是分析失效的产生原因，即其是否由：（a）叶片材料缺陷，拉筋或钎焊接头缺陷；（b）不适当的焊接操作；（c）偏离规定的频率标准和/或水化学性质等因素的不恰当操作。?2．实验细节从装置中收集一部分含有裂缝的叶片，从工厂获得了未使用的钎焊材料?和内外部的拉筋。用显微镜观察的样本材料是从叶片和拉筋上切下来的，再用标准的金相技术抛光，用硝酸酒精溶液浸蚀。用日本电子光学显微镜和JSM840A扫描电子显微镜（SEM）观察显微结构来确定材料的性质。用连接到扫描电子显微镜的X-射线（能谱）进行能量色散分析，来确定叶片、拉筋、钎焊接头的组成。在断口用扫描电镜分析断裂特征。安装好部分叶片和拉筋，用维氏压痕试验机加载10公斤负载并测试其硬度。用应变速率为10-3/秒的拉伸强度试验机做拉伸测