超临界汽轮机低压转子0Cr17Ni4Cu4Nb钢叶片断裂原因

张 涛, 房 军, 李为刚, 吕 磊, 周宏杰

(1.内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特 010020; 2.北方联合电力有限责任公司 呼和浩特热电厂, 呼和浩特 010030)

近年来,随着火电机组深度调峰等灵活性运行方式的普及,电站大型汽轮机的运行工况越来越复杂,机组的安全性面临着巨大挑战,汽轮机故障,特别是叶片损伤及断裂等事故频发[1-4],影响了大型发电机组的安全稳定运行。

某热电联产机组在运行过程中,其汽轮机低压转子次末级叶片发生断裂,导致机组紧急打闸停机。该汽轮机为超临界参数、一次中间再热、单轴、两缸两排汽、空冷直接抽汽凝汽式供热汽轮机,其低压转子次末级叶片材料为0Cr17Ni4Cu4Nb钢,叶型长度为352 mm。笔者采用一系列理化检验方法对该超临界汽轮机低压转子次末级叶片的断裂原因进行了分析,并提出了改进建议,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

结合现场勘察,对断裂的低压转子次末级叶片进行宏观观察,结果如图1所示。由图1可知：断裂叶片为汽机侧低压转子次末级叶片,其中一支叶片断裂,自叶片根部平台上方约20 mm处的叶型部位断裂为两部分,叶根部分仍镶嵌于叶根槽内,叶型部分已掉入下缸,并将相邻的多支次末级叶片和末级叶片击打损伤;叶型中间无固定拉筋,叶根镶嵌部位发生严重松动。

图1 断裂叶片的宏观形貌

对叶片断口处进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知：掉入下缸的叶片叶型部分已发生严重损伤形变,镶嵌于叶轮上的叶根部分外形完好,未见明显的机械损伤;叶片断口整体较为齐平,未见明显塑性变形;断口表面锈蚀较为严重,但在断口上的大部分区域仍可见众多互相平行的“海滩状”疲劳辉纹,观察疲劳辉纹的扩展及收敛方向,发现断口的起裂区位于叶片出汽侧边缘处,瞬断区位于叶片进汽侧;断口上扩展区的面积占比约为70%,瞬断区的面积占比约为30%;叶片表面未见严重腐蚀坑或机械损伤等缺陷。

图2 叶片断口处的宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂叶片上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：断裂叶片中各主要合金元素的含量均符合GB/T 8732—2014 《汽轮机叶片用钢》对0Cr17Ni4Cu4Nb钢的要求。

表1 断裂叶片的化学成分分析结果 %

1.3 扫描电镜(SEM)及能谱分析

对叶片断口进行超声清洗,然后利用扫描电子显微镜对叶片断口进行观察,结果如图3所示。由图3可知：起裂区靠近叶片出汽侧端部,表面齐平,未见明显的腐蚀坑、夹杂物或机械损伤等缺陷;扩展区可以观察到众多互相平行且间距细小的疲劳条带,说明叶片颤振形成的载荷较小;瞬断区大部分区域呈韧性+准解理断裂特征。

图3 叶片断口SEM形貌

利用X射线能谱仪对叶片断口的起裂区进行分析,结果如图4所示。由图4可知：起裂区未见含有Cl元素的腐蚀性产物。

图4 起裂区的能谱分析结果

1.4 金相检验

在叶片断口处取样,对试样进行金相检验,结果如图5所示。由图5可知：叶片的基体组织为回火马氏体,未见粗大的淬硬马氏体及严重δ铁素体等异常组织,未见严重夹杂物缺陷[5];起裂区及扩展区裂纹均以穿晶断裂的方式扩展,未见晶粒拉长畸变、沿晶开裂形貌或夹杂物颗粒等缺陷。

图5 断裂叶片的金相检验结果

1.5 硬度测试

在断裂叶片上取样,对试样进行硬度测试,结果如表2所示。由表2可知：断裂叶片的硬度满足标准GB/T 8732—2014的要求。

表2 断裂叶片的硬度测试结果 HBW

2 综合分析

目前,蒙西电网新能源发电的装机容量占比已达40%,传统主力型火电机组的载荷水平普遍长期处于40%～50% BMCR(最大连续出力工况),参与深度调峰的机组最低载荷会降至20%BMCR。大展弦比的汽轮机叶片,频繁且长期在低载荷工况下运行,极易发生叶片颤振[6-8]。该汽轮机属于大流量抽汽式汽轮机,进入冬季供暖期,大量中压缸蒸汽会被抽走用于供热,导致进入低压缸的蒸汽流量很低且随载荷频繁发生变化。当进入低压缸蒸汽流量为20～120 t/h时,叶片的颤振会更剧烈,颤振的频率与叶片固有频率一致时就会产生共振,从而引起叶片的疲劳断裂。

断裂叶片为汽轮机侧低压转子次末级叶片,叶型较长,中间无拉筋固定。此外,现场检查发现低压转子正向和反向的次末级叶片普遍存在叶根与叶根槽装配不紧密、松动等问题。在超低载荷及调峰等灵活性运行工况下,叶根松动会加剧叶片的颤振,进而引发叶片的疲劳损伤。叶片断裂的起裂区位于叶片出汽侧边缘,该位置为叶片几何弦长方向上尺寸最薄的区域,该区域抵抗疲劳开裂的能力也最弱,在颤振引发的交变疲劳载荷作用下叶片易发生开裂。断裂叶片及其他次末级叶片表面未见明显的腐蚀坑或机械损伤等缺陷。此外,起裂区的能谱分析结果显示,未发现腐蚀性Cl-的存在,因此可以排除应力腐蚀导致损伤开裂的因素。

断口上大部分区域呈“海滩状”疲劳条带形貌,扩展区面积占比约为70%,且疲劳条带尺寸及间隙细小,说明在汽轮机运行过程中叶片承受的载荷较小,叶片的断裂形貌为典型高周低应力疲劳断裂。

在高比例波动性新能源大规模接入的背景下,当前火电机组普遍采用超低载荷及调峰等灵活性运行方式[9-11],使抽汽式汽轮机低压缸的进汽量减少,特别是在深度调峰运行工况下,低压转子长叶片易发生异常颤振。

3 结论与建议

在超低载荷及调峰等灵活性运行工况下,机组承受的载荷频繁发生变化;供热抽汽造成低压缸进汽量减少、汽流大幅波动,导致末端的长叶片发生颤振;次末级叶片的叶根尺寸与叶根槽不匹配,使叶根松动、叶片晃动,加剧了恶劣工况下叶片的颤振;在两种因素的共同作用下,在叶片出汽侧近叶根部位的应力集中区域萌生了疲劳裂纹;在叶片颤振产生的交变应力作用下,裂纹以疲劳的形式不断扩展,最终导致叶片整体断裂。

建议更换低压转子正向和反向的次末级叶片,改变次末级叶片叶根与叶根槽的装配方式,使之形成紧固的过渡配合或过盈配合。在整圈叶片间增设拉筋设计,以保障运行状态下叶片的相对稳固,尽可能减弱叶片的颤振。优化机组运行的策略,避免灵活性运行工况产生的汽流变化对低压转子末端长尺寸叶片造成损伤。