汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施标准版本

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?。

电站汽轮机低压转子次末级叶片开裂原因分析叶片是电站汽轮机中完成能量转换的重要部件，汽轮机叶片工作条件恶劣，长期在高温、高压介质环境中做高速旋转，承受相当大的应力，同时还要传递动蒸气产生的扭矩，受力情况复杂。

电站汽轮机有多级叶片，每级叶片又有多只叶片，只要其中一只叶片出现问题，就有可能发生事故，导致机组停运，造成重大经济损失。

因此，汽轮机叶片的可靠性对火电机组安全、稳定运行有十分重要的意义。

蒙西某火电厂200MW机组在检修中发现汽轮机低压转子正反向次末级叶片叶身发生多处横向开裂。

该汽轮机是哈尔滨汽轮机厂有限公司生产的，型号C145/N200-12.7/535/535，为超高压、一次中间再热、三缸两排气、单抽气冷凝式汽轮机，该机主蒸气温度为535℃，主蒸气压力为12.75MPa，再热蒸气温度535℃，再热蒸气压力2.18MPa。

叶片材质2Cr13。

次末级叶片发生开裂现象，给机组的安全稳定运行带了来极大的威胁。

本文对该汽轮机叶片开裂原因进行分析，并提出针对性建议，以防止同类型事故的再次发生，提高机组运行的安全性和可靠性。

1. 汽轮机次末级叶片开裂试验分析（1）宏观形貌观察从现场渗透检测结果可看出，开裂现象都发生在次末级叶片，开裂部位均位于叶片拉筋与叶根之间近拉筋侧，裂纹垂直于叶片长度方向，如图1所示。

对开裂叶片进行宏观观察，发现叶片进气侧表面存在大量腐蚀坑。

选取开裂严重的一只叶片，将开裂部位打开进行断口宏观形貌检查。

叶片断口表面齐平，未见明显的塑性变形，也未见明显的机械损伤等缺陷。

断裂面是典型的疲劳断口，断口上初始断裂区、裂纹扩展区等特征区域清晰可辨，开裂起源于叶片出气侧边缘圆弧处，并向进气侧扩展，开裂方向与叶片长度方向垂直。

起裂区所占面积较小，断口的大部分为扩展区，有典型的“海滩状”疲劳条带形貌，如图2所示。

图1 低压转子次末级叶片开裂渗透检测照片图2 开裂叶片表面及断口宏观形貌图3 叶片断口SEM形貌（2）断口SEM检测利用扫描电子显微镜（SEM）对断口进行观察，可以看出，断口初始断裂区呈现典型的“冰糖状”晶间开裂形貌，晶粒较为细小，伴生有较多的晶间裂纹；在近起裂区的断口边缘存在腐蚀坑，深度约为0.2mm，腐蚀坑内部可观察到明显“泥坑状”形貌，具有典型的应力腐蚀特征。

第 63 卷 第 2 期2021 年 4 月汽 轮 机 技 术TURBINE TECHNOLOGYVol. 63 No. 2Apr. 2021电站汽轮机低压转子叶片裂纹形成原因分析刘文生(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院，郑州450000)摘要:对某电厂汽轮机低压转子末3级含裂纹叶片取样,进行宏观观察、光谱分析、力学性能试验、显微硬度检验、 显微组织及能谱等分析。

试验结果表明：叶片的合金成分符合相关要求，叶片材料的强度、塑性和韧性等相关指标 均符合标准要求;裂纹起源及裂纹尖端未见腐蚀性元素。

叶片热处理工艺控制不佳，岀汽侧边缘硬度和组织不均匀,存在较大的残余应力，材料的抗疲劳性能降低，塑韧性变差，在离心力和蒸汽压力等周期性交变应力作用下发 生疲劳开裂。

实现叶片岀汽侧边缘硬化层的无损检测是未来发展的一个重要方向。

关键词：低压转子叶片；出汽侧边缘;硬度不均匀；疲劳开裂分类号:TG142.73 文献标识码：A 文章编号：1001-5884 (2021 )02-0157-04Cause Analysis of Blade Fracture for Steam Turbine Low-pressure Rotorin One Power PlantLIU Wen-sheng( Central-China Electric Power Research Institute, China Datang Corporation Science andTechnology Research Institute, Zhengzhou 450000, China )Abstract :Macroscopic observation, spectral analysis , mechanical property test, micro-hardness test, microstructure andenergy spectrum analysis were carried out which taken from the last 3rd stage fractured blades of a steam turbine low-pressure rotor in a power plant. The results show that the alloy composition of the blade meets the relevant requirements ,and the strength , plasticity and toughness of the blade meet the requirements of the standard. Meanwhile no corrosive elements were found at the crack origin and crack tip. The hardness and microstructure of the outlet side edge are notuniform because of the improper heat treatment. This leads to the large residual stress, the lower fatigue resistance andpoorplastic toughness. So the fatigue crack occurred under the action of periodic alternating stresses such as centrifugal force andsteam pressure. And it is an important direction for the future development to realize the non-destructive testing of the hardened layer in the outlet side edge of blade.Key words : low-pressure blade ； outlet side edge ； uneven hardness ； fatigue cracking0前言1试验材料及方法汽轮机动叶片是汽轮机将汽流的动能转换为机械能的重要金属部件，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以及复杂的交变应力［1］。

电站汽轮机低压转子次末级叶片开裂原因分析首先，材料失效是导致低压转子次末级叶片开裂的主要原因之一、汽轮机低压转子叶片一般采用高温合金材料，该材料具有良好的高温强度和耐腐蚀性能。

然而，长时间高温、高应力和循环载荷的作用下，材料会出现硬化、塑性变形减小和晶界与晶内空洞的形成等现象，进而导致叶片表面产生裂纹。

此外，材料的制造工艺和热处理也可能存在问题，如气孔、夹杂物和残余应力等。

其次，设计缺陷也会引起低压转子次末级叶片开裂。

转子叶片的设计应该满足一定的强度和刚度要求，能够承受高温、高应力和循环载荷的作用。

但在实际工作中，由于叶片结构的不合理和应力集中等问题，会导致叶片易于开裂。

例如，叶片的结构过于薄弱，存在局部应力集中的地方，容易出现应力集中导致的裂纹。

此外，叶片间隙设计不合理、叶片固定不牢固等也可能导致叶片开裂。

另外，操作和维护过程中的失误也可能导致低压转子次末级叶片开裂。

例如，汽轮机的启停过程中，由于温度和压力的快速变化，可能导致叶片温度和应力的不均匀分布，从而引起开裂。

此外，刀片清洗和保养过程中使用不当的清洗液和工具，也可能对叶片材料造成腐蚀和损伤，进而导致叶片开裂。

最后，外界因素也可能导致低压转子次末级叶片开裂。

例如，随着汽轮机使用时间的增加，环境条件和工况可能发生变化，如蒸汽的温度和压力等。

这些变化会对叶片产生不同程度的影响，从而导致叶片开裂。

此外，环境腐蚀、振动和冲击等也可能引起叶片开裂。

为了避免低压转子次末级叶片开裂，首先应选择合适的材料，并正确进行材料的制造工艺和热处理。

同时，需要设计合理的叶片结构，减少应力集中的可能性。

在操作和维护过程中，要注意合理的操作和保养，并遵循相关规定和标准。

此外，还应定期进行检测和维护，及时发现和处理叶片开裂问题。

汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施1裂纹情况河北省南部电网某厂#2机为上海产单缸冲动凝汽式汽轮机，1972年6月投产，容量50 MW，型号为N5090，运行至1986年，更换了汽轮机转子。

2003年10月，在该机组大修的过程中，汽轮机转子调速级及汽封处发现裂纹，见图1。

经河北省电力研究院锅检中心对该处裂纹进行深度测量，结果为：A处裂纹深度13.6 mm，B处4.4mm，C处3.5 mm。

2原因分析该缺陷严重了影响机组的安全运行，排除制造因素，转子出现裂纹主要是由于交变热应力引起的金属疲劳损伤超出了材料的屈服极限而造成的，原因分析如下。

a. 随着电力行业的不断发展，该厂在20世纪90年代初成为河北省南部电网的主要调峰厂之一，机组启/停次数增加，造成低周热疲劳率增加，机组在多次交变应力作用下，引起金属材料内部微观缺陷的发展，从而造成金属热疲劳，引发金属裂纹。

b. 机组启动过程中暖机时间短，热应力大。

该机组启动时存在负差胀过大的缺陷，为控制差胀，保证机组的正常顺利启动，从冲车到机组接带初始负荷的时间比较短，蒸汽流量快速增大，加剧金属温升，造成汽轮机转子尤其是高调门部位和高压侧轴封处热应力较大；另外，根据调度的预计负荷安排，从并网到带满负荷，暖机时间明显不足，这些都会加大转子的热应力。

c. 冷机的邻机启动对转子的损坏程度尤其大，在用额定参数的蒸汽冲车时，蒸汽会在金属表面进行剧烈的凝结放热，使汽缸和转子外表温度急剧上升，尤其是转子加热面积大，升温更快，转子表面所受的热压应力就更大，当热压应力超过金属材料的屈服极限后，就会在该处产生局部塑性变形。

随着转子的不断加热，其承受的热应力减小，但塑性变形不会随着转子热应力的减小而自行恢复，它在周围弹性区的影响下会出现残余拉伸应力，在高温条件下，该残余应力随时间增加而减小，即金属松弛现象，尤其在轴径最大的前汽封和调节级处，这种金属变形现象更明显。

若邻机启动次数增加，其损坏程度更加严重，这样转子表面很快就会产生疲劳裂纹。

浅谈汽轮机转子弯曲变形原因分析及修复方法与预防青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司山东青岛 266100摘要：汽轮机也称蒸汽透平发动机，是能将蒸汽热能转化为机械功的回转式机械，是一种旋转式蒸汽动力装置，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的汽流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。

同时，对外做功。

在运行过程中，汽轮机转子一方面需要承受汽流的作用力和叶轮本身离心力所引起的应力，另一方面，承受由蒸汽温差所引起的热应力等，检维修或操作不当容易引起汽轮机转子产生弯曲变形。

关键词：汽轮机；转子；弯曲变形；修复1 转子变形某化工企业拥有80万吨/年硫酸装置（以下简称装置）2009年配套安装一台B6-3.3/0.6型、6MW背压式汽轮机，用于驱动AV80-4轴流压缩机以提供装置升温、焚硫炉燃烧等生产用气。

2019年6月25日，因装置酸泵电机出现故障而使装置停车，装置停车时并未将汽轮机进行停车处理，而是将汽轮机转速从3950转/分钟逐步降至1000转/分钟运行。

约3小时后装置恢复开车时同步提高汽轮机转速开车运行，转速提升过程中，发现汽轮机进汽侧、排汽侧转子振动大。

机组振动逐步上升，转速提升20分钟时，汽轮机排汽侧和进汽侧振动值升至500μm，于是，于当天22:03分紧急停下汽轮机后盘车。

由于机轮机机组在1000转/分钟状态下运行约3小时未出现振动情况，紧急停车后盘车期间也没有找到振动大的原因，为进一步查找汽轮机振动大的原因，紧急停车30分钟后于22:35分再次冲转汽轮机至500～600转/分钟，此时汽轮机振动在18～51μm，振动值明显高于大修后开车时10～15μm的振动值，为避免汽轮机转子变形，汽轮机在500～600转/分钟运行30分钟后停机进入盘车状态。

经技术人员分析，汽轮机在低转速运行时间过长，汽轮机的转子、汽缸膨胀不同步,引起局部动静摩擦,产生振动大，于是，决定将机组盘车3小时后再冲转观察。