叶片断裂事件

3. 50MW汽轮机叶片断裂的原因分析及修复

某电站汽轮机为南京汽轮机厂生产的C50-8.83（主蒸汽压力）/1.27（抽汽压力）-型高压单缸、单抽汽、冲动式汽轮机。其转子为柔性转子（工作转速低于最低阶临界转速的转子称为刚性转子,反之称为柔性转子，临界转速N=310／转子的静绕度（mm）1/2次方），其高温高压部分为叶轮与主轴整锻而成（适应快速启动，整体刚性好）；低压部分采用套装结构（由于温度、压力较低，且便于加工），前后支撑在前轴承和后轴承上，并借助半挠性波形联轴器与发电机转子相连（联轴器中间加装波形筒，我们机组上所接触过全是刚性联轴器）。2009年12月10日11时06分，汽轮机带47MW负荷正常运行，轴系振动出现阶跃上升，汽轮机2号轴承垂直振动由33μm突增至47μm，电厂技术人员对振动情况综合分析后，决定停机揭缸检查。3.1. 汽轮机揭缸后损伤情况

汽轮机揭缸后，转子吊出，检查情况如下：汽机转子通流第14级叶片断裂脱落3根，断裂的叶片卡在15级隔板下半静叶栅进汽侧，同级其它均有擦碰痕迹。如图1、

图2所示。

图1 14级动叶片断裂图图2 第14级动叶片断裂图

3.2. 原因分析

汽轮机叶片断裂是各方面因素综合作用的结果，常见的有：动叶片振动特性不合格；叶片结构不合理，动应力较集中；选用叶片材质不当；叶片设计强度不足；圆角、倒角处的制造精度不够，运行中产生微裂纹；运行中汽轮机出力或汽缸流量超过设计限额；装配、安装不当、动静部件碰擦；汽轮机加减负荷频繁、升降速率过大等等。针对该厂50 MW汽轮机发电机动叶片断裂情况，分析原因如下：

（1）静应力及交变应力长期作用

从叶片断裂面看：出汽边断面光洁，断口平整，如陶瓷断面，而叶片进汽边断面不平整，呈撕裂状。从叶片断面情况看，基本可以断定叶片断裂为静应力及交变应力长期作用下的疲劳损坏。汽轮机运行中，动叶片承受着很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。此外，由于蒸汽流的压力作用还会产生弯曲应力和扭力（这也是我们在大修时需要测量通流0°和90°的原因），叶片受激振力的作用产生强迫振动；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，会导致叶片出汽边发生疲劳性裂纹，此后叶片进汽边在高速转动产生的强大离心力作用下断裂，如图3所示。

图3 叶片疲劳断裂示意图

（2）14级叶片处位置和运行工况有关

14级叶片处于第 5、6级工业抽汽口之间，流场扰动，增加了该级叶片激振力，加速了叶片疲劳断裂。当需外供汽时，三四级抽汽开启、五六级抽汽关闭。在这种变工况下，14级通流瞬间压力低于抽汽管压力，疏水倒流，可能造成水冲击而损伤叶片。

（3）电化学腐蚀

负荷较低时，汽轮机末级的蒸汽相对含水量大（对叶片产生一定的冲刷），可溶性盐垢（如钠盐）吸收水珠成为电解液（水质较差），造成叶片表面电化学腐蚀。

一侧叶片断裂后，引起汽机末端2号瓦振动徒增。在转子高振动及转子不平衡力的作用下，同级叶片圆周的另一侧叶片也随之发生断裂。

3.3. 修复方案

（1）转子清扫，轴颈检查抛光处理并在转子表面涂色检查有无缺陷。

（2）更换14级动叶片。

（3）更换破损的汽封圈，并对所有汽封分解清扫，更换弹簧片。新更换的汽封圈打磨汽封齿。处理后汽封圈汽封间隙足够，所贴胶布均为轻接触。

3.4. 运行效果

新转子安装后，机组启动过临界时及带额定负荷运行时振动良好，达到设计要求。

振动情况如表1。

表1 机组振动数据

3.5. 结束语

通过对50 MW抽汽凝汽式汽轮机叶片断裂状况的检查、分析，得出如下结论：50 MW汽轮机断裂集中发生在第14级（倒数第四级）上的主要原因是：（1）该级叶片的处于第 5、6级工业抽汽口之间，工况变化多，流场扰动大；（2）该级叶片为中后级叶片，叶型较长，高速旋转中承受很大的静应力及交变应力（3）电化学腐蚀。（对于我厂来说长期的低负荷运行以及工况的突变影响较为明显）

提高汽轮机叶片强度及设计可靠性，加强汽轮机运行参数监控，合理控制汽轮机负荷及抽汽，是防止50 MW汽轮机叶片断裂的有效手段。

叶片的断裂不仅会造成停机影响发电量，更重要的是将会对设备带来巨大的冲击和损坏，因此在每次大修过程中我们都必须对转子清理，目视检查（叶根、铆钉处、连接拉筋处）并进行硬度、着色、叶片测频等一系列的检查，确保设备在一个大修运行过程中万无一失！