汽轮机零部件常见事故分析

车晓东 郑文辉

（华能北方联合电力有限责任公司海勃湾发电厂，内蒙古 乌海 016000）

1 汽轮机叶片事故分析

汽轮机叶片的损坏形式主要是疲劳断裂。由于叶片工作条件恶劣，受力情况复杂，断裂事故较常发生，且后果又较严重，所以对叶片断裂事故的分析研究一直受到特别重视。按照叶片断裂的性质，可以分为短期超载疲劳损坏、长期疲劳损坏、高温疲劳损坏、应力疲劳损坏、腐蚀疲劳损坏、接触疲劳损坏等六钟。

1.1 长期超载疲劳损坏

这种损坏是指叶片受到外加较大应力或受到较大激振力，而振动次数低于107次就发生断裂的机械疲劳损坏。如叶片受到水击而承受较大的应力，或因转子不平引起振动及安装不良存在周期力等较大的低频激振力，当这些力引起叶片共振时，叶片会很快断裂。

叶片短期超载疲劳损坏的宏观特征为：断面粗糙，疲劳前沿线（即贝壳纹）不明显，断面上疲劳区面积小于最终静撕断区面积；经受水击而损坏的叶片的断面呈"人"字形纹络特征。

防止短期超载疲劳损坏的主要方法是：防止水击，作好消除低频共振的调频及在正常周波下运行。

1.2 长期疲劳损坏

长期疲劳损坏是指叶片运行中承受低于疲劳强度极限而应力循环次数又远高于107次发生的一种机械疲劳损坏。

造成长期疲劳损坏的原因有：叶片或叶片组在高频激振力作用下引起的共振损坏；叶片表面缺陷处出现局部应力集中而发生的疲劳损坏；低频率运行、超负荷运行使某些级的叶片应力升高导致提早损坏等等。长期疲劳损坏在电厂叶片断裂事故中最为常见。

防止长期疲劳损坏的办法是：按规定避开高频激振力共振范围，提高叶片加工质量和改善运行条件。如防止低周波、超负荷运行，防止腐蚀和水击等。

1.3 高温疲劳损坏

高温疲劳损坏是指由蠕变和疲劳共同作用所形成的介于静应力产生的蠕变和动应力产生的疲劳之间的一种损坏形式。裂纹源部位呈蠕变现象，断裂性质为持久断裂和疲劳断裂的组合，而且往往伴随着材料组织的变化。

高温疲劳损坏裂纹基本上是穿晶的，断口宏观貌有贝壳花纹，断口微观貌有较厚的氧化皮。

高温疲劳损坏发生在高压缸前几级叶片、中间再热式汽轮机中压缸前几级叶片以及中压汽轮机的调速级叶片。

防止高温疲劳损坏的主要措施是：选用高温性能好的金属来制造处于高温下工作的叶片，防止叶片共振，防止叶片径向和轴向相摩擦等。

1.4 应力腐蚀损坏

产生应力腐蚀的主要原因是：首先，金属晶界偏析，析出碳化物，出现贫铬区，使晶界腐蚀；其次，应力作用；然后，高浓度盐的腐蚀。应力腐蚀主要发生在2Cr13钢制造的末级叶片上。其断口形貌呈颗粒状，微观形态是沿界裂纹，断面上有滑移台阶，并有细小腐蚀坑。

防止叶片应力腐蚀损坏的只要措施是：改善汽水品质、提高叶片材质、降低叶片动应力等。

1.5 腐蚀疲劳损坏

腐蚀疲劳损坏是叶片在腐蚀介质中受交变应力作用而引起的疲劳损坏。如损坏是以机械疲劳为主，则裂纹发展迅速，裂纹为穿晶型；如损坏是以应力腐蚀为主，则裂纹发展较慢，裂纹主要是沿晶型。

防止腐蚀疲劳损坏的主要措施是：提高叶片材质耐腐蚀性；降低交变应力水平；改善汽水品质。

1.6 接触疲劳损坏

接触疲劳损坏是由于叶片根部松动，叶根参加振动，使叶根之间或叶片与叶轮机接触面产生往复微量相对摩擦运动而造成的一种机械损坏。

由于摩擦表面材料晶体滑移和硬化，使硬化区内产生许多平行的显微裂纹，并不断扩展，从而引起疲劳断裂。

摩擦裂纹和摩擦硬化现象同时并存是接触疲劳损坏的主要基本特征。摩擦硬化和摩擦裂纹仅存于接触部位表面。

防止接触疲劳的主要措施是：改善叶片接触面的紧贴程度，增加接触面积以防止接触点接触的应力集中，消除或减弱调频叶片的振动力。

2 汽轮机转子金属事故分析

转子在运行过程中要承受扭距和自重引起的弯应力、温度梯度和温度变化的热应力、离心力、热套力、振动力和发电机短路力距，其工作条件十分恶劣。

汽轮机转子的金属事故主要是叶轮、主轴（转子）的变形及开裂。

2.1 主轴（转子）的塑性变形

汽轮机出厂时的残余应力过大，运输、安装不当以及运行中暖机不充分，动静部分相摩擦，水击和满水等原因，都有可能导致大轴产生永久变形，一旦出现这种情况决不能强行升速，而应停机后直轴。

直轴方法：对小型碳钢转子可采用局部加热反变形校直；对大功率合金钢转子多采用“松弛法”。

2.2 转子的断裂

转子断裂将造成严重事故，应引起十分重视。断裂的起因是出现裂纹。转子发现第一条宏观裂纹，在大型汽轮机中往往作为汽轮机工作寿命结束的标志。转子产生裂纹的原因主要有以下几点：

2.2.1 在热交变应力（低频热应力）和蠕变联合作用下出现裂纹；

2.2.2 截面交界处过渡圆角偏小、存在刀痕等原因会导致机械应力或热应力集中，在交变应力作用下产生裂纹；

2.2.3 材质不良，存在严重冶金缺陷而导致裂纹产生；

2.2.4 运行不当而引起损坏。如启、停机，变负荷等情况下，温度变化率及温度变化量过大，引起热应力过大等。

2.3 叶轮的开裂

叶轮开裂主要出现在低压级。由于叶轮直径大，离心力大，长期运行中键槽处由于应力集中容易出现裂纹，，裂纹发展到一定深度会引起整个叶轮飞裂。叶轮开裂与下列因素有关：

2.3.1 键槽处加工质量差，应力集中处往往易生成裂纹并发展；

2.3.2 叶轮材料性能差，韧性及塑性低，脆性大，加速了裂纹扩展；

2.3.3 停机后维修保养不当，或水腐蚀造成应力腐蚀。

防止叶轮开裂的措施：注意停机后的保养，防止腐蚀；提高冶金及加工质量；加强探伤检查等。

3 汽缸的变形及裂纹

汽缸截面厚度变化大，进汽端形状复杂，特别是法兰处厚度非常大，因此在运行过程中汽缸内外壁、法兰内外壁温差悬殊，生成的热应力就非常大，加之温度变化时又受到热交变应力作用，同时，汽缸内还承受蒸汽压力、静止部分的重力作用，工作条件十分恶劣，并且，由于形状复杂、厚薄相差悬殊、尺寸大等原因，不可避免存在铸造缺陷，所以，汽缸容易发生变形和开裂的金属事故。

3.1 造成汽缸变形的主要原因如下

3.1.1 运行中汽缸壁内外、法兰内外温差较大，造成法兰结合面漏气；汽缸上、下温差过大导致动静部分相摩擦或振动；

3.1.2 汽缸去应力退火不当，或运行中满水、水击等，都会引起变形；

3.1.3 汽缸在高温下工作，各部分温度不同，蠕变速度不一，从而引起变形。

3.2 造成汽缸开裂的主要原因如下：

3.2.1 汽缸长期在高温下运行，出现蠕变，脆性增加；

3.2.2 冶金过程中铸件内部出现裂纹、白点、夹渣等，是造成蠕变裂纹和热疲劳裂纹的根源；

3.2.3 热处理不当导致材料组织不均匀，而使持久强度和持久塑性下降；

3.2.4 长期高温运行使汽缸材料组织发生变化；运行中的低频热应；力和蠕变的联合作用更易出现裂纹。

3.2.5 对于出现裂纹的汽缸可采用彻底挖除裂纹并进行补焊的方法加以消除。

[1]周顺深.汽轮机零部件损坏及其寿命评定[J].发电设备，1990-04-01.