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汽轮机叶片断裂分析与解决方案广西机械高级技工学校广西柳州摘要：分析汽轮机叶片断裂问题，找出最佳解决方案。
关键词：汽轮机叶片断裂修理方案1.概述柳州某纸业公司是专业的纸浆生产企业，其热电分厂的主要生产设备是锅炉和汽轮发电机组，实行热电联产，为企业提供蒸汽和电力供应，分厂中的一台C6-35纯凝汽轮发电机在进行大修，揭盖检查后发现转子次末级叶片的一片动叶片断裂缺失，把转子吊出检查后，在缸体内发现了掉落的半截叶片。
2.汽轮发电机大修前运行状况与叶片断裂时间判断2.1汽轮机在大修前基本处于长期稳定运行状态，从运行记录了解到，机组运行的进汽量和所带负荷都控制在规程要求范围内。
蒸汽压力和温度也符合要求，基本排除机组外因造成叶片断裂。
进汽量基本维持30吨，负荷4300～4500kwh，蒸汽压力3.4MPa左右，温度425℃左右。
2.2外观检查观察转子，除断裂叶片外，其余部分外观完整。
断裂叶片的断口已有锈迹，基本和转子其余部分表面锈迹一致，没有太大差异。
由此可知断裂时间比较长。
通过查阅机组日常巡检记录发现，在本次大修前4个月，机组振动值偏大，由原来的0.05mm变化为0.09mm，略高于正常值（正常值为0.03mm～0.07mm），此后基本维持在0.09mm左右。
由此判断，叶片断裂脱落时间应该在大修前4个月。
3.叶片断裂的原因分析与讨论由于转子整体外观基本正常，除断裂叶片所处次末级叶轮有轻微刮痕外，其余各级叶轮无明显外伤。
另外，在缸体内部和机组冷凝器内部也没有发现其他异物，基本可以分析叶片断裂原因是：（一）断裂叶片在制造时本身材料内部有缺陷，估计有细微裂纹，在转子长期负荷工作中逐渐发展扩大所致。
但由于机组运行年限将近30年，加上对转子其他叶轮叶片进行探伤检查没有发现其他叶片存在裂纹，所以这个原因可能性最大。
（二）机组在5年前进行过一次大修（正常大修周期为24～36个月），但修理项目中没有对叶轮叶片进行探伤检查，可能存在修理过程中发生外力损伤叶片的因素（如吊装碰撞），造成叶片产生裂纹，最后断裂脱落。
汽轮机叶片断裂原因分析及防范措施伍爵技术协作信息技术推广与应用汽轮机叶片断裂原因分析及防范措施武有军李恒坤/蒙华泰热电厂摘要:由于汽轮机叶片工作务件恶劣,受力情况比较复杂,断裂事故较常发生,且后果又比较严重,所以对叶片断裂的原因进行分析, 同时提出相关防范措施就显得尤为重要,文章就此进行分析.关键词:汽轮机;叶片断裂一,引言在汽轮机发生的事故中,由于汽轮机叶片损坏而发生的占主要部分,而这其中汽轮机叶片的断裂,对机组的运行来说是一种危害甚大且较多发生的故障.叶片断裂事故的防止,又因单机容量日益增大,叶片长度增加,叶片的工作应力上升而变得13趋复杂.因此,找出叶片断裂的原因并提出预防措施,这对汽轮机的安全运行是很有必要的.二,汽轮机叶片的组成1.叶型:叶片的主要工作部分,汽流通过由相邻叶片的型线部分构成的通道,完成能量转换.2.叶根:将叶片固定在转子叶轮上的装配部分.3.围带,拉筋等:属于连接件,把几只或整圈叶片连成叶片组,并可调整叶片的自振频率和减少叶片所受的动应力.三,叶片断裂的主要现象分析1.汽轮机内或凝汽器内产生突然的声响.2.机组振动突然增大或抖动,轴向位移显示增大或摆动.3.叶片损坏较多时,同样负荷下蒸汽流量增加,监视段压力上升.4.断裂的叶片可能进入抽汽管道,造成逆止门卡涩等.5.停机惰走或盘车状态能听到金属摩擦声.6.可能引起轴瓦温度和回油温度升高,这是因转子平衡遭到破坏而造成的,同时推力瓦温度上升.7.停机过程经过临界转速区时振动明显增加.四,汽轮机叶片断裂的原因分析众所周知,热电厂汽轮机叶片,特别是动叶片,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.汽轮机在工作时,动叶片承受着最大的静应力及交变应力.静应力主要是转子旋转时作用在叶片上的离心力所引起的拉应力,叶片愈长, 转子的直径及转速愈大,其拉应力愈大.所以处于次末级的这两失效叶片,受到了相当大的拉应力.此外,由于蒸汽流的压力作用还产生弯曲应力和扭力,叶片受激振力的作用会产生强迫振动;当强迫振动的频率与叶片自振频率相同时即会引起共振,振幅进一步加大,交变应力急剧增加,会导致叶片发生疲劳断裂.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,大约535~C左右;随后由于蒸汽逐级做功,温度逐级降低,直到末级叶片将降低到IO0~E以下.这两片次末级失效叶片所处的温度是95℃,在这个部位会有游离水分子存在,游离水分子由于过冷凝结成水滴,冲击动叶片进汽侧背弧面,造成水冲蚀.叶片在水蒸汽介质中工作,其中多数是在过热蒸汽中工作,末级叶片是在潮湿蒸汽中工作;过热蒸汽中含有氧,会造成高温氧化腐蚀,生成腐蚀性盐而影响叶片的疲劳强度;湿蒸汽区,可溶性盐垢(如钠盐)吸收水珠成为电解液,造成电化学腐蚀.汽轮机叶片的点蚀是一个电化学的过程.金属与电解质相互作用,阳极发生溶解,铁原子失去电子成为Fe.叶片表面钝化膜的不均匀或破裂,微区化学成分的差异,残余应力较高均为产生点蚀的原因,当介质中含有活性阴离子(c1]时,它们被吸附在金属表面某些点上,形成微电池.膜破坏处成为阳极,而未破坏处为阴极.由于阳极面积比阴极小得多,阳极电流密度大,很快被腐蚀成小孔,溶液中的cl—随着电流向小孔里迁移,使小孔内金属氯化物浓度升高.由于氯化物的水解,小孔内溶液的酸度增加,加上小孑L内氧的供应困难,阻碍孔内金属的再钝化,使孑L内金属处于活化状态,不断受到腐蚀.在交变应力的作用下,在点蚀坑底部会有应力集中而促进裂纹的萌生,形成微裂纹,继而扩展成宏观裂纹,当裂纹扩展到一定的程度时,叶片发生最终的断裂,整个过程是一个腐蚀疲劳断裂过程.此外,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机械损坏.同时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.五,防范措施探讨1.机组启动前必须对来汽管道充分疏水,启动中蒸汽须保持较高的过热度,当启动或运行中蒸汽温度突然直线下降50%或lOmin内下降50~C时,应立即打闸停机或者发现汽温突然下降,并且来汽管道,主汽门,调节汽门冒白汽时,也应立即果断打闸停机.2.机组启动前应将轴向位移保护投入,运行中不得将轴向位移保护退出,特别是启动中,进行主汽门,调节汽门严密性试验时,轴向位移保护动作后不得以怀疑其误动为理由退出保护强行挂闸.在轴向位置指示达到定值,如保护不动作时,应立即打闸停机.3.并列运行的机组要有串联截止门,保证减温水管路切断可靠,以防止停机状态或启动给水泵后水漏入热态的汽轮机.锅炉打压时,要采取严密的措施阻隔水进入母管.4.采取防止加热器满水返人汽缸的措施,尤其是抽汽逆止门不严密或者加热器铜管易破裂的机组,要经常监控水位变化.5.完善调节各抽汽门等可能有水进入汽缸的温度测点,以便于及时监视汽缸进水或进冷汽并定期试验,确保抽汽逆止门动作可靠,严密不漏.6.改进疏水系统使其管道,联箱,容器的断面或容积适应疏水量的需要,并按压力合理布置进入联箱,容器的位置顺序,确保各级疏水畅通,不发生疏水压力升高返入汽缸.在机组整体布局设计上,一定要注意疏水联箱的底部标高应高于凝汽器热水井最高点的标高,必要时可开大级间疏水孔或取消疏水环,抽汽机组要保证抽汽口间的联络疏水常通.7.确保门杆漏汽管道和汽机溢汽管道上的逆止门动作可靠,截止门严密不漏,防止除氧器满水返入汽缸.8.新机组验收时应检查确定叶片经探伤,测频合格.投产后大修中应对叶片进行损伤检查,发现问题及时解决.9.经常保持系统频率在合格范围内运行,并尽可能减少机组在偏离正常频率下的运行时间.1O.机组运行中振动突然增加,听到甩脱叶片的撞击声,机组内部有摩擦声以及出现凝汽器铜管突然泄漏等情况,是掉叶片故障的征兆, 应按规程规定果断停运机组进行检查,切不可拖延时机,否则将造成设备严重损坏.l1.发生个别叶片断落故障后,可对断裂叶片采取对称切割叶片技术措施,还应对未断落的叶片全面进行探伤,测频检验,确认无问题后方可恢复机组运行.此外,应加强机组运行中的监视,尤其是在机组启,停,加减负荷过程中,必须加强对汽压,汽温,出力,真空,胀差,串轴,振动等的监视,精心调整,不允许这些参数剧烈变化,严格执行规程规定.启,停机过程应按照操作票和启,停机睦线逐步进行操作;同时还要加强汽,水品质的监督,防止叶片结垢,腐蚀;另外,若停机时间较长,应做好保养工作,现经常用的方法是真空干燥法,有效地防止了通流部分锈蚀.充分利用机组大修,小修机会对叶片进行重点检查和探伤,及时发现问题,从而把事故消灭在萌芽之中.参考文献【1】谢永慧,孟庆集:汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究Uj,西安:西安交通大学,2002;【2】王江洪,齐琰,苏辉等:电站汽轮机叶片疲劳断裂失效综述01,汽轮机技术,2004;【3】程绍兵,刁伟辽:300MW汽轮机叶片点蚀损伤机理分析及预防措施UJ,热力发电,2003;【4】韩彦波:汽轮机叶片裂断事故剖析[1],黑龙江科技信息,2007.?l35?。
汽轮机叶片断裂故障诊断及处理分析摘要：在工业生产中，汽轮机作为重要设备，与工业生产有着密切的关系。
为了保障工业良好生产，需要保障汽轮机稳定运行，本文以汽轮机叶片为例，分析汽轮机叶片断裂的故障和原因，然后根据具体原因提出建设性防治措施，降低汽轮机叶片断裂发生的概率，从而保证汽轮机稳定运行。
关键词：汽轮机；断裂；故障诊断；处理引言汽轮机在工业生产中占有重要的地位，直接关系着工业是否能够稳定生产，因此在实际生产中需要保证汽轮机稳定运行。
但在实际中，由于工作环境等因素，汽轮机在运行过程中经常会出现叶片断裂的情况，严重影响了汽轮机正常运行，给工业生产带来了不良的影响。
基于此，需要对汽轮机叶片断裂问题展开探究，分析叶片断裂出现的原因，然后制定有效的解决措施。
1汽轮机叶片发生断裂故障的现象及原因1.1汽轮机叶片发生断裂故障的现象当汽轮机叶片发生断裂故障时，会伴随着以下一些现象发生，技术人员可以根据这些现象来判断汽轮机叶片是否出现断裂，其中具体内容有以下几点：①当听到汽轮机内部或凝汽器内部出现金属碰撞的声音，则表明有异物进入到汽轮机内部或者凝汽器内部，而汽轮机一般都有做密封处理，因此外来异物进入可能性比较低，很有可能就是汽轮机叶片发生断裂；②机组突然出现激烈的振动或者振幅突然增加，则可以检查汽轮机叶片情况，观察其是否出现断裂的问题；③当出现倒止门卡涩的情况，可以检查是否是汽轮机断裂的叶片进入到抽气管中引起的[1]；④当在盘车时，听到设备里面有金属摩擦声音，这也有可能是汽轮机叶片发生断裂引起的；⑤当汽轮机叶片出现损伤时，相同载荷下，蒸汽流量会变大，而且监控区段的压力也会增大。
1.2汽轮机叶片发生断裂故障出现原因工业汽轮机叶片发生断裂故障是多方面因素引起的，因此在对汽轮机叶片断裂故障进行处理，需要确定故障发生的原因，其中比较常见的原因有以下几点。
第一，机械损伤。
在汽轮机运行时，如果有外来的杂质随蒸汽进入汽轮机内，就会给叶片造成损伤。
汽轮机叶片断裂故障诊断及处理分析摘要：由于机组设计、制造精度和正常运行等技术问题，汽轮机组在运行过程中，叶片断裂等事故时有发生。
叶片本身的断裂和二次损坏直接威胁到汽轮发电机组的安全稳定运行。
基于此本文就汽轮机叶片断裂故障诊断及处理进行阐述，以供参考。
关键词：汽轮机组;叶片故障;故障诊断;故障诊断系统;1汽轮机叶片断裂机理1.1工作温度对汽轮机叶片的影响在汽轮机叶片处于工作状态中，叶片特别是动叶片，一般会工作在非常恶劣的条件里，例如，温度和热应力，就会导致叶片受到电化学腐蚀和水珠的侵蚀，正如人们都知道的电化学腐蚀是这些腐蚀中最严重的，电化学腐蚀甚至会损害汽轮机叶片，使叶片会出现裂纹。
有时候，汽轮机叶片需要在特定的高温环境下工作，这对于汽轮机叶片来说是最需要克服的困难。
汽轮机各阶段的叶片在运行过程中的温度不同，首先，前一阶段的叶片处于高温状态，随后的各个阶段叶片的温度会逐渐下降，直至最后一阶段的温度也会下降，最后一阶段的叶片中会有大量的水分，这些水分凝结成水珠，然后撞击汽轮机的动叶片，导致严重水蚀现象发生。
1.2应力状态对汽轮机叶片的影响汽轮机启动时，其下方的风机叶片通常会受到一些大面积的热静应力和热交变应力。
高静应力是因为发电机转子叶片在旋转操作期间需要在叶片方向上承受较大的机械离心力而旋转。
汽轮机旋转叶片旋转越长，转子叶片的最大速度应力变化越大，承受的离心力越大，产生的拉应力越大。
此外，在实际工作或循环使用期间，汽轮机转子上总会有一定量的高温蒸汽流。
在这些巨大高压蒸汽流的强烈作用下，将带来汽轮机巨大的高温压力流，叶片表面也将承受自然运动产生的具有一定强度的径向弯曲应力场和径向扭转。
当该振动的波频与汽轮机叶片上产生的固有振动波频完全一致时，叶片将在该径向激振力场产生的强大作用下被迫弯曲和振动，一定频率振幅变化的电磁共振现象会自动发生，振幅会增加，交变应力会逐渐增加，导致汽轮机叶片因过度疲劳而断裂。
图1 汽轮机高压转子气流受力分析图汽轮机启动时，其下方的风机叶片通常会受到一些大面积的热静应力和热交变应力。
高静应力是因为发电机转子叶片在旋转操作期间需要在叶片方向上承受较大的机械离心力而旋转。
汽轮机旋转叶片旋转越长，转子叶片的最大速度应力变化越大，承受的离心力越大，产178研究与探索Research and Exploration ·智能检测与诊断中国设备工程 2022.12 （下）术。
刀片错误模式也可以直接以刀片错误树的形式表示。
3.2 叶片故障诊断系统（1）汽轮机叶片裂纹检测是旋转机械故障诊断的重要组成部分，在国内外得到了广泛的研究。
目前，国外已经开发了基于声多普勒信号的刀具裂纹缺陷监测系统。
该系统沿叶轮圆周布置两个高灵敏度传感器，在激光鉴相器的控制下采集叶片振动的声信号，利用裂纹扩展引起的叶片频率波动引起的共振事件监测叶片振动的产生，并采用时域同步平均值来降低噪声，在国内外已有较多的研究。
目前，国外已研制出一套基于多普勒信号的刀具裂纹检测系统。
这个系统将在叶轮周围设置两个高灵敏度的传感器，通过激光鉴相仪对叶片的振动进行检测，从叶片缠身过的机理入手监测叶片产生振动的过程并对其进行时间同步处理，然后利用平均值降低噪声。
（2）在美国西屋公司研究小组的支持下，研制了一种基于双探头叶片结构的汽轮机振动和不平衡振动接触试验监测与补偿检测装置，并成功应用。
它不仅可以直接、连续地测量汽轮机叶片向顶部水平方向的平衡同步偏转，还可以对不平衡同步旋转偏转振动和扭转振动进行现场综合评价，分析汽轮机叶片和汽轮机自身的各种机械损伤和变形，评估汽轮机叶片修复最佳方案的优缺点，并在调整和设计后进一步检查叶片结构的性能。
3.3 叶片故障诊断技术的发展趋势随着国内计算机技术基础理论研究方向的进一步发展，计算机辅助系统监测与分析手段逐渐被越来越广泛地应用于叶片系统的各种故障检测、分析、诊断和监测技术中，通过采用各种计算机信号检测以及计算机识别的新方法，大大提高了系统监测和处理的质量，以及系统监测和诊断工作过程中信息的动态可靠性。
汽轮机叶片断裂的原因 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
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、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。
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。
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。
)
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。
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。
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。
运行维护原因
电网频率变动超出允许范围，过高、过低都可能使叶片振动频率进入共振区，产生共振而叶片断裂。
机组过负荷运行，使叶片的工作应力增大，尤其是最后几级叶片，蒸汽流量增大，各级焓降也增加，使其工作应力增加很大，从而严重超负荷。
主蒸汽参数不符合要求，频繁而较大幅度地波动，主蒸汽压力过高，主蒸汽温度偏低或水击，以及真空过高，都会加剧叶片的超负荷或水蚀而损坏叶片。
蒸汽品质不良使叶片结垢、腐蚀，叶片结构后将使轴向推力增大，引起某些级过负荷。
腐蚀则容易引起叶片应力集中或材质的机械强度降低，都能导致叶片损坏。
停机后由于主蒸汽或抽汽系统不严密，使汽水漏入汽缸，时间长，使通流部分锈蚀而损坏。
