200MW汽轮机末级叶片断裂原因

200M W汽轮机末级叶片断裂原因及裂纹扩展寿命的估算´ÈÅ¢ÒÅÁËÁÇÅ£ÁÕÓÅÓÁÎÄÔÈÅ¥ÓÔÉÍÁÔÉÏÎÏÆ¢ÒÅÁË¥ØÔÅÎÓÉÏÎÁÎIJÅÓÉÄÕŬÉÆÅÆÏÒ¬ÁÓÔ³ÔÁÇÅ¢ÌÁÄÅÓÏÆ’••-·´ÕÒÂÉÎÅ郑福民‘Œ于维成’Œ杨振国’ˆ‘1辽宁电力科学研究院Œ辽宁沈阳‘‘•••–›’1中国科学院金属研究所Œ辽宁沈阳‘‘••‘•‰摘要š对清河电厂’••-·汽轮机末级叶片断裂原因进行分析Œ同时通过疲劳裂纹扩展试验及力学分析估算了形成•1˜ÍÍ初始裂纹源的剩余寿命约为‘’—•È"该结果对汽轮机末级叶片的运行!监测及维修时间的修订提供了重要依据"关键词š叶片断裂›原因分析›裂纹扩展›寿命估算Abs tra ct:´ÈÅÂÒÅÁËÁÇÅÃÁÕÓÅÓÏÆÌÁÓÔÓÔÁÇÅÂÌÁÄÅÓÁÒÅÁÎÁÌÙÓÅÄÆÏÒ’••-·ÔÕÒÂÉÎÅÏƱÉÎÇÈÅ°Ï×ÅÒ°ÌÁÎÔŽ-ÅÁÎÔÉÍÅŒÔÈÒÏÕÇÈÔÈÅÔÅÓÔÏÆÆÁÔÉÑÕÅÂÒÅÁËÅØÔÅÎÓÉÏÎÁÎÄÔÈÅÍÅÃÈÁÎÉÃÓÁÎÁÌÙÓÉÓŒÉÔ×ÁÓÅÓÔÉÍÁÔÅÄÔÈÁÔŒÔÈÅÒÅÓÉÄÕÅÌÉÆÅÆÏÒÍÉÎÇ•1˜ÍÍÉÎÉÔÉÁÌÂÒÅÁËÓÏÕÒÃÅ×ÉÌÌÂÅÁÂÏÕÔ‘’—•ÈŽ´ÈÉÓÒÅÓÕÌÔÐÒÏÖÉÄÅÓÁÉÍÐÏÒÔÁÎÔÂÁÓÉÓÏÆÏÐÅÒÁÔÉÏÎŒÍÏÎÉÔÏÒÉÎÇÁÎÄÁÍÅÎÄÉÎÇÔÈÅÔÉÍÅÏÆÍÁÉÎÔÅÎÁÎÃÅÆÏÒÔÈÅÌÁÓÔÓÔÁÇÅÂÌÁÄÅÓÏÆÔÕÒÂÉÎÅŽKe y words:¢ÌÁÄÅÂÒÅÁËÁÇÅ›£ÁÕÓÅÁÎÁÌÙÓÉÓ›¢ÒÅÁËÅØÔÅÎÓÉÏΛ¬ÉÆÅÅÓÔÉÍÁÔÉÏλ中图分类号½´§‘‘‘Œ´«’–“Ž“»文献标识码½¡»文章编号½‘••”•—™‘“ˆ’••’‰•˜••••‘••”1叶片断裂原因111断口金相分析叶片宏观断口示于图‘Œ断口平滑Œ有清晰的疲劳弧线Œ从疲劳弧线的弯曲方向确定裂纹萌生于排汽边Œ向进汽边扩展的平滑疲劳区约占总断口的—•…Œ最后瞬断区较粗糙Œ并呈现”•b剪切唇"用³¥-观察裂纹源区可见到孔洞群ˆ图’ˆÁ‰‰Œ该孔洞群占据排汽边叶背边长约•1–ÍÍŒ并穿透叶尖厚度约•1’*•1“ÍÍ"这么大片的孔洞是因该部位存在疏松缺陷又经历腐蚀后形成的Œ大修时叶片打磨的痕迹在此处特别严重Œ致使叶尖厚度只剩余•1’*•1“ÍÍŒ可能打磨时已暴露了疏松"疲劳裂纹起源于此孔洞壁并向进汽边扩展时Œ距源‘1“™ÍÍ!‘1—‘ÍÍ和‘1™•ÍÍ处都存在明显的疲劳孤线Œ该范围断口很光滑Œ裂纹在此间隔扩展是很慢的›裂纹源区的成分分析见图“ˆÁ‰"在距源’1˜˜ÍÍ的断口Œ靠近叶背面还有大片孔洞群ˆ图’ˆÁ‰‰Œ此孔洞在断口内部的亚表面Œ但在此处断口的侧表面ˆ距断口‘*’ÍÍ处‰Œ已有大片孔洞外露Œ最长的孔洞达’1•ÍÍ›因此裂纹在此区扩展较快"离开此大片孔洞’1’™ÍÍ后Œ在靠近叶盆面的断口ˆ距叶盆”1—Í͉有很长一段断口区富硅ˆ图’ˆÂ‰及图“ˆÂ‰‰Œ由于富图‘宏观断口形貌ˆÁ‰ˆÂ‰ˆÃ‰ˆÄ‰图’ 用³¥-观察裂纹源区ˆÁ‰)))孔洞群›ˆÂ‰)))叶盆面富³É区›ˆÃ‰)))回火马氏体•••@›ˆÄ‰)))蚀坑及裂纹ˆÁ‰ˆÂ‰图“ 叶盆面的腐蚀坑ˆÁ‰)))坑内成分›ˆÂ‰)))富³É区成分硅区只在近叶盆面的断口边缘Œ所以这可能是运行过程叶片已开裂Œ由于水蒸气中携带的硅进入断口所致"在疲劳扩展区的中部和后部有”条很尖锐的裂纹休止线Œ在断口的叶盆面也存在腐蚀坑"坑内的成分示于图“ˆÁ‰Œ它含有氯!镁!钙!硫离子"在距排汽边断口”ÍÍ处取金相试样Œ图’ˆÃ‰是该区的金相组织为回火马氏体Œ有的区域马氏体较粗大Œ其硬度Rc •’”ˆ¨¢•’”˜‰"在排汽边存在较多腐蚀坑ˆ图’ˆÄ‰‰Œ坑底有微裂纹存在Œ对腐蚀坑裂纹区的成分分析看到腐蚀区存在氯为‘1“—…!硫为•1˜…!磷为•1”…"因此表明易腐蚀的部位材料的³!°含量较高Œ另外环境中也富³"112 分析结论Á1 叶片属腐蚀疲劳断裂Œ腐蚀介质以含氯离子的盐为主Œ还有少量硫"Â1 该叶片断口的排汽边存在严重孔洞缺陷Œ这些孔洞可能是原材料存在的疏松!缩孔缺陷在锻造后未闭合形成的›冶金缺陷与腐蚀交互作用Œ促进了疲劳裂纹的形成"Ã1 叶片承受的应力来自离心力叠加汽动弯曲应力Œ断裂部位位于二阶弯曲振动的节点Œ是承受振动疲劳应力较高的区域Œ叶片排汽边打磨使缺陷暴露Œ是加速疲劳裂纹形成的重要原因Œ所以该断裂叶片是引起其它’’片叶片变形!撕裂的主祸首"2 叶片裂纹扩展寿命估算用ÐÁÒÉÓ公式Äa •ÄN •C ($K)m•C (Y $RP a)来描述宏观裂纹(a ž•1•Í͉的疲劳扩展行为»‘½"其中Äa •ÄN 是裂纹扩展速率›C ,m 是材料常数,由试验来测定;$K 是应力强度因子变化幅,$K •K ÍÁØ•K ÍÉΛY 是无量纲应力强度因子(或称为形状因子),对确定的加载方式和试样几何形状,它是裂纹长度a 的函数,即Y •Y(a )"因此,欲知裂纹扩展的行为(即Äa •ÄN),关键在于C,m ,a ,$R 及Y 的确定"211 用疲劳裂纹扩展试验确定C 及m 值把叶片的断裂看作是单边裂纹在承受变动的蒸汽汽动弯曲应力ˆ该应力垂直于断面‰作用下疲劳扩展的结果"在原叶片上取材ˆ’£Ò‘“‰做成单边缺口试样Œ在大气室温下Œ参照国家标准§¢–“™˜)˜–做单向拉)拉裂纹扩展试验Œ分别测得a •N 曲线ŒÄa •ÄN •$K 曲线"用七点拟合方法计算出每个试样的C 和m 值Œ取其数学平均值Œ得到C ••1”‘@‘••‘’,m •’1—•"212 a 及$R 的确定对叶片断面建立如图”ˆÁ‰所示坐标系Œ其中断面的盆缘和背弧是由实测数据经计算机拟合而得Œ盆缘和背弧的曲线方程为Y ‘和Y ’"裂纹前沿取断面中线ˆ图”ˆÁ‰中的Y a 线)上的点,它的曲线方程为Y a •(Y ‘‹Y ’)/’"裂纹长度a 是从裂纹前沿到叶片排汽边的曲线长度ša(x)UQx-•1•—–•’•“‘+(ÄYa /Äx)ÄxˆÁ‰ˆÂ‰图” 叶片断面建立的坐标系和应力图ˆÁ‰)))坐标系›ˆÂ‰)))压应力叶片在实际运行中所受应力极为复杂Œ来源于诸多方面Œ主要的有叶片自身及附件ˆ围带拉金‰的离心应力Œ叶片的振动应力Œ汽动弯曲应力等"上述的离心应力在叶片工作时ˆ转速为••Ò•Ó‰为一恒定值Œ它对裂纹疲劳扩展初中期ˆ即临近瞬断前‰影响不大"目前对叶片的振动应力还没有一个很好的计算方法»’½Œ因为它不仅与叶片的材料和形状有关Œ更重要的是它与引起振动的激振力ˆ如轮盘的振动!蒸汽力等‰有关Œ因而无从知道振动的振幅»“½"但由于工作中采用了围带!阻尼拉金等消振手段Œ一般认为振动的振幅很小Œ因而由此产生的振动应力也很小"蒸汽的作用使得叶片向两个方向弯曲Œ一个是沿轴向ˆ即绕V •V 轴‰Œ另一个是沿切向ˆ绕U•U 轴‰Œ对长叶片ˆ如––•ÍÍ叶片‰Œ可认为V •V 方向即为轮盘的切向,U •U 方向为转轴方向"蒸汽对叶片的冲击力沿轴向较小,同时截面(即断面)的V •V 轴的转动惯量J V 较大,因而此分力在叶片断面上产生的弯应力较小,而蒸汽的冲击力在切向的分力(动应力)较大"截面的U•U 轴的转动惯量J u 较小,导致该力在叶片截面上产生的弯应力较大,因而该方向(即叶片厚度方向)的蒸汽力较危险,我们只考虑蒸汽的切分力产生的弯距M u 造成的叶片弯应力"蒸汽对叶片绕U •U 轴的变距M u 在断面上U•U轴的叶盆一侧产生拉应力Œ背弧侧产生压应力ˆ如图”ˆÂ‰‰"对断面上一点A,应力的大小为R A•M u/W A•M u/(J u/L a)•M u/J u,因而对一定的弯距和截面(即M u,J u一定时),有R A ]L a,L a为点A到最小惯性轴U•U轴的垂直距离,J u为断面的最小惯量距"叶片排汽边蒸汽弯应力最大值为‘™-°ÁŒ在该值下的M uÍÁØ•R排J u/L a•“‘’–™-°Á#ÍÍ"因此有R AÍÁØ•“‘’–™L a/J uŒ进一步计算Œ可得断面上一点A在M uÍÁØ下的弯应力为R AÍÁØ•‘˜1™••1–‘–”a‹•1•’a’‹’1‘••–@‘••a“‹˜1•—“–@‘••˜a”Œ其中a为点A到排汽边曲线长度"若由上式得出的R AÍÁØ为负ˆ在U•U轴的背弧一侧‰Œ则表示压力Œ但总的应力应再叠加上一个很大的离心拉应力ˆ大于’••-°Á‰Œ因而仍属拉力Œ裂纹仍可疲劳扩展"根据哈尔滨汽轮机厂对该机组末级叶片强度设计»”½Œ该弯应力的最大值ˆ排汽边的弯应力值‰在•*‘™-°Á之间变动Œ即$R•R,R介于•和RÍÁØ之间Œ即A点的R A在•和R AÍÁØ之间变动" 213Y的确定把断面看成是由夹角不断变化的尖劈形连接而成Œ参照文献»•½Œ拟合得到当R不随a而变时(即R处处相等)的曲线及Y r(a)•a方程如图•所示"考虑到用上述方法得到Y r(a)•a关系是在R与a无关的情况下得到的(即均匀加载下的),它必然不适于不均匀加载情况(即R•R(a)),因而必须加以修正"应用权函数方法,经过复杂的计算,得到我们所要求的曲线及方程(如图•)"最终得到的应力强度因子变化幅为$K•(‘™••)Y z P a•‘™Y z P aŒ式中$K单位取-°Á#ÍÍ‘•’Œa取ÍÍ"214裂纹扩展循环数和剩余寿命的计算从a••1˜ÍÍ开始计算Œ裂纹扩展到a时的循环数为N(a)=‘/C Q a•1˜‘($K)mÄa裂纹长度的上限取到—•ÍÍŒ因为随着裂纹的变长Œ扩展越来越快ŒN增加较小"计算出的N(a)•a关系如图–"裂纹从•1˜ÍÍ扩展到a 所用时间为t(a)•N(a)/“–••f h,其中f为蒸汽力的作用频率"若取f•••¨ÚŒ则t(a)•N(a)•‘˜••••h›以此叶片来说Œ从初始裂纹ˆ•1˜Í͉扩展图•曲线及方程图–N(a)•a关系到–•1•ÍÍ所需时间为‘’—•ÈŒ以后裂纹扩展速度很快"3结果讨论Á1取初始裂纹为•1˜ÍÍ的依据是š工程上一个可检测出的裂纹尺度一般为•1•*‘1•Í͈随检测仪器及技术的精确度而定‰›该叶片断口分析发现排汽边由孔洞缺陷引发的裂纹初始长度约为•1˜ÍÍ"Â1裂纹从孔洞缺陷萌生到•1˜ÍÍ长所需时间现还不能计算ˆ目前国内外正处于研究探索阶段‰Œ根据高周疲劳裂纹萌生的试验观察Œ这段时间比较长Œ根据排汽边裂纹源区侧表面孔洞缺陷暴露处蹋陷表面有打磨痕迹Œ可以预测到裂纹萌生期在当年‘月•日大修后"Ã1从计算结果对应该机运行条件Œ可以推测裂纹是在当年—月中旬达到•1˜ÍÍŒ从•1˜ÍÍ扩展到–•1•ÍÍ共经历‘’—•ÈŒ由此可知Œ将来俄制800M W机组锅炉燃烧器的研究²ÅÓÅÁÒÃÈÏÎÔÈÅ¢ÏÉÌÅÒ¢ÕÒÎÅÒÓÏƲÕÓÓÉÁÎ2ÍÁÄŘ••-·§ÅÎÅÒÁÔÉÎdzÅÔ张昀Œ庞开宇ˆ国家电站燃烧工程技术研究中心Œ辽宁沈阳‘‘••“”‰摘要š为了掌握运行特性及改变设计煤种后的炉内工况Œ进行了绥中发电有限责任公司˜••-·机组锅炉的旋流燃烧器出口气流流场冷态模化!燃煤结渣特性热态试验及炉内流动!燃烧数值模拟的研究"为˜••-·机组启动!运行提供依据"关键词š燃烧›燃烧器›数值模拟Abs tra ct:©ÎÏÒÄÅÒÔÏÇÒÁÓÐÔÈÅÏÐÅÒÁÔÉÏÎÃÈÁÒÁÃÔÅÒÁÎÄÉÎ2ÆÕÒÎÁÃÅÏÐÅÒÁÔÉÏÎÃÏÎÄÉÔÉÏÎÓÁÆÔÅÒÔÈÅÃÈÁÎÇÅÏÆÄÅÓÉÇÎÅÄÃÏÁÌÒÁÎËŒÒÅ2ÓÅÁÒÃÈÅÓÏÎÔÈÅÃÏÏÌÓÔÁÔÅÍÏÄÅÌÉÎÇÏÆÁÉÒÆÌÏ×ÆÉÅÌÄÁÔÔÈÅÏÕÔÌÅÔÏÆÓ×ÉÒÌÉÎÇÆÌÏ×ÂÕÒÎÅÒŒÔÈÅÈÏÔÓÔÁÔÅÔÅÓÔÏÆÂÕÒÎÉÎÇÃÏÁÌÓÌÁÇÄÅÐÏÓÉÔÃÈÁÒÁÃÔÅÒÁÎÄÔÈÅÎÕÍÅÒÉÃÁÌÓÉÍÕÌÁÔÉÏÎÏÆÉÎ2ÆÕÒÎÁÃÅÆÌÏ×ÁÎÄÃÏÍÂÕÓÔÉÏÎÈÁÄÂÅÅÎÃÁÒÒÉÅÄÏÕÔÆÏÒ˜••-·ÇÅÎÅÒÁÔÉÎÇÓÅÔÏƳÕÉÚÈÏÎǧÅÎÅÒÁÔÉÏάÉÍÉÔÅĬÉÁÂÉÌÉÔÙ£ÏÍÐÁÎÙŽ©ÔÐÒÏÖÉÄÅÓÁÂÁÓÉÓÆÏÒÔÈÅÓÔÁÒÔŒÏÐÅÒÁÔÉÏÎÏƘ••-·ÇÅÎÅÒÁÔÉÎÇÓÅÔŽKe y words:£ÏÍÂÕÓÔÉÏΛ¢ÕÒÎÅÒ›®ÕÍÅÒÉÃÁ̳ÉÍÕÌÁÔÉÏλ中图分类号½´«’’“Ž’“»文献标识码½¡»文章编号½‘••”•—™‘“ˆ’••’‰•˜•••••••”1锅炉设备简介˜••-·汽轮发电机组的’–••Ô•È锅炉是俄罗斯塔干罗格锅炉厂生产的超临界压力具有中间再热直流锅炉"单炉膛´形布置Œ全悬吊结构Œ炉膛断面为矩形"锅炉配有˜台平盘式中速磨煤机Œ直吹式制粉系统Œ锅炉有”˜只旋流燃烧器Œ分”层对冲布置在炉膛两侧Œ每层有‘’只燃烧器"主要设计参数š额定蒸发量š’–••Ô•È再热蒸汽量š’‘•‘1•Ô•È主蒸汽压力š’•1•‘-°Á主蒸汽温度š•”•e再热蒸汽入口压力š“1˜–-°Á再热蒸汽入口温度š’˜“e再热蒸汽出口压力š“1–’-°Á再热蒸汽出口温度š•”•e给水温度š’’—e排烟温度š‘“”e锅炉效率š™’1“…2旋流燃烧器冷态模化试验研究211冷态模化试验目的与方法通过冷态模化试验Œ研究燃烧器的空气动力场在小修时应对末级易断叶片进行探伤Œ以避免带裂纹工作造成断裂的危险性"Ä1由于未能提供断裂叶片所在级的进汽通道数及每个通道蒸汽压力的变化Œ故所选择的应力比率为•Œ频率按照汽轮机转速“•••Ò•ÍÉÎ确定Œ如果能进一步提供上述数据可进一步修正计算结果"参考文献š»‘½李红升Œ周承芳编1工程断裂力学»-½1大连š大连理工大学出版社Œ‘™˜•1—»’½刘尚慈编1金属断裂与失效分析»-½1武汉š武汉水利电力学院出版社Œ‘™˜—1‘’»“½ˆ苏‰舒本柯•舒宾编1卢沛鎏译1汽轮机强度»-½1北京š机械工业出版社Œ‘™˜•1—»”½哈尔滨汽轮机厂研究所Œ南京工学院编1汽轮机强度计算»-½1北京š水利电力出版社Œ‘™˜•1•»•½中国航空研究院编1应力强度因子手册ˆ增订版‰»-½1北京š科学出版社Œ‘™™“1‘’作者简介š郑福民ˆ‘™•••‰Œ男Œ工程师Œ现从事火电厂金属监督工作"ˆ收稿日期’••’••”•’•‰。