9戚墅堰燃机叶片断裂事故检查情况报告

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综合分析 现场对上缸S0、S3、S5级静叶、下缸S1、S5级和R1级 动叶各抽检一片，其主要合金元素成分含量与电厂提供 材料基本相符； 对现场带回小碎片进行金相组织检验，组织为马氏体+ 少量的铁素体，马氏体位向明显，组织无异常，但检验 结果不能代表叶片断口处的金相检验； 未能对断口进行微观检查分析，特别是对S1级断裂叶片 的裂纹起源区域进行电镜和能谱分析，以找到该处裂纹 萌生的真正原因。
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现场检查情况
R3级动叶存在局部轻微损伤 R2级动叶存在局部损伤
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现场检查情况
上缸S5级有一片静叶缺失，该级叶片普遍损伤变形严重，上缸内壁刮擦
伤明显。
S6 碰擦痕迹
S5 叶片缺失
S4
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现场检查情况
上缸S5级断裂叶片的宏观断口形貌
裂纹起源区（已破坏）
疲劳扩展区
瞬断区
断口靠近叶片根部，断口大部分较平滑，有清晰的疲劳弧线，从疲劳弧线的弯曲方向确定 裂纹萌生于叶片进气侧边缘，裂源处已被碎片二次挤压撞击破坏，向出气边扩展的平滑疲 劳区约占总断口的80％以上，最后瞬断区面积很小，只占整个断口的5～10％，呈现45º剪 切唇。
S1级叶片宏观断口形貌
疲劳扩展区较平整，疲劳纹极其细 密，需借助放大镜观察，疲劳扩展区表 面有明显氧化层，说明该疲劳裂纹已经 过一段时间逐渐缓慢扩展形成。
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现场检查情况
压气机S0～S5级静叶片、R0～R5级动叶片进气边有积垢现象
S5级静叶进气侧叶缘 S2级静叶进气侧叶缘
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现场检查情况
检查中还发现多根叶片存在松动情况，以S5级静叶居多，在S5 级静叶根部发现存在一处宽约2mm的间隙，怀疑该间隙的产生 可能是填隙片脱落引起的 。
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综合分析
根据现场叶片损伤情况及故障发生时运行记录数据情况分析， 推断S1级的断裂叶片最有可能最先断裂，原因如下： 假如是上缸S5级静叶先断裂，其碎片打到进气侧的S1级静叶的 可能性较小，而且S1级静叶看不出被外力打击痕迹 。 S1级静叶先疲劳断裂，引起跳机，由于碎片相对较小，没有引 起大的振动，但碎片由于气流的作用飞到S5级静叶处，而S5级 有一片静叶本身就已经存在疲劳裂纹缺陷，受到碎片打击后立 即从根部断裂，由于S5级断裂缺损的叶片较大，立即引起了压 气机转子产生非常大的振动，并且较大断叶片在静叶和转子间 挤压碰撞，导致S5级静叶和R5、 R6级动叶严重损伤变形，甚 至造成了下缸S5级静叶及R6级动叶的断裂。断裂叶片碰撞挤 压产生的碎片进一步造成后部所有叶片均不同程度受到损伤。 这种推理也与现场事故发生时机组振动情况较吻合。
戚墅堰燃机叶片断裂事故 现场检查分析情况汇报
江苏方天电力技术有限公司 2008年11月
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机组概况 江苏华电戚墅堰发电有限公司# 1机组是由GE公司 生产的S109FA型燃气－蒸汽联合循环发电机组。机组 的轴系由压气机、燃气轮机、蒸汽轮机和发电机等组 成。标准状况下联合循环额定出力为396.05MW。燃机 的型号为PG9351FA，它有一个18级的轴流式压气机、 18个低NOX燃烧器和一个三级燃气轮机组成。逆气流 方向看，顺时针旋转，额定转速3000r/min。 2005年11 月投产。至本次事故停机累计运行11753h，启动272 次。 压气机转动产生压缩空气，压比15.4，压气机标 准流量为823kg/s。压气机叶片材料为GTD-450（相当 于403SS不锈钢添加6.5%Ni）。
5 a) b)
结论和建议
压气机叶片大面积损伤事故是由于S1级和S5级静叶的突然断裂导致 的连锁反映，从这两处宏观断口上看，具有典型的高周疲劳断裂形 貌。 检查中发现多根叶片存在松动情况，以S5级静叶居多，在S5级静叶 根部发现存在一处宽约2mm的间隙，怀疑是填隙片脱落引起的。存 在发生高频振动或产生共振的可能性。建议对叶片进行静频测量和 叶片振动疲劳试验，以验证分析是否存在叶片共振裕度偏低或叶片 疲劳寿命偏短等问题。 现场断口不同程度受到破坏，也不排除叶片存在材质缺陷导致叶片 加速疲劳失效的可能。叶片断裂的其他可能的原因需在对断口进一 步研究，以及对断裂叶片残骸的材质、金相组织、力学性能试验后 才能得出。 压气机S0～S5级静叶片进气边有积垢现象，就目前工作开展的深度 还不能明确排除垢物中存在腐蚀性元素而加速疲劳裂纹产生的可能 性。
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现场检查情况
1）压气机叶片检查情况
压气机动叶从R5到R12级、静叶从S5级向后均有不同程度损伤， 其中尤以R5、R6、R7、S5、S6级叶片损毁最为严重 。
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现场检查情况
R12
R11
R10
R9
R8
R7
R6
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现场检查情况
R7 S6 R6 S5 R5
R5~R7级之间叶片损伤情况照片
S5 R6
S5和R6级叶片损伤情况照片
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现场检查情况
下缸S5级也有一片叶片缺失
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现场检查情况
下缸S5级缺失叶片疑为受外力 损伤所致
‹宏观断口形貌
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现场检查情况
下缸S1级有一片部分缺失的叶片
›
断口距离叶片顶端约50mm，裂纹起源 于进气边，先垂直于叶片边缘向内扩展 约2/5叶片宽度，突然折向45º向叶片顶 端迅速撕裂脱落。
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现场检查情况
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现场检查情况
现场事故调查分析分两阶段进行：
阶段 检查时机 检查范围 检查手段
第一阶段
2008-9-27压气 机揭缸后
S0~S12级上缸静叶 R0~R12级转子动叶部分 压气机0～17级动静叶 燃气机1～3级动静叶 现场带回的一小片碎片
目视宏观、光谱
第二阶段
2008-10-13转 子吊出后
目视宏观、光谱、 表面硬度 金相
① ② ③ ④
②
③
④
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综合分析 经对疑为初始断裂的下缸S1级和上缸S5级静叶宏观断口 分析，均具有以下特征： 均为高周低应力疲劳断口； 疲劳裂纹均起源于进气边； 疲劳扩展区面积较大，疲劳纹细密，表面有氧化层或台 阶，反映出发生事故前疲劳裂纹已存在一段时间。 现场检查发现叶片存在装配工艺不良等问题： 检查中发现多根叶片存在松动情况，S5级静叶松动情况 比较明显； 检查中发现在S5和S15级静叶的根部存在间隙，部分静 叶根部的填隙片严重突出，怀疑该间隙的产生可能是填 隙片脱落引起的；
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综合分析
导致叶片疲劳失效的因素： 叶片表面有缺口性损伤，形成疲劳源 叶片工作中受交变应力作用
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综合分析
疲劳源的产生可能有以下原因： 叶片自身材质缺陷 叶片加工缺陷 叶片安装碰伤 材料表面腐蚀或侵蚀损伤 异物打击损伤等
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综合分析
叶片所受到的交变应力来源于： 周期性外力作用下发生的叶片强迫振动（周 期性的外力来自工作轮叶片和整流器叶片之 间的相互干扰、工作轮叶片的旋转失速等 ） 叶片自激振动或叶片颤振（叶片自身的振动 以及与相邻叶片自身振动相互干扰而形成 ） 叶片循环韧性低，消震性差，会产生大的振 动而失效
c)
d)
由于水平有限，分析不当之处， 欢迎指正。谢谢！
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叶片材质分析
压气机叶片光谱材质分析
采用美国NITON -XLT800型直读式光谱分析仪现场对未经表面清理的叶片的主要合 金元素成分进行抽样光谱材质分析：
元素（%） Cr 试样与标准 S0静叶 S3静叶 S5静叶 R1动叶 S1-40 S1-39（断裂） S5-88 403SS不锈钢 14.33 14.44 14.74 13.29 14.1 13.9 14.2 11.50～ 13.00 11.50～ 13.00 ～6.50 6.35 6.41 6.48 6.02 5.83 5.90 6.01 0.78 0.81 0.80 0.84 0.72 0.75 0.72 1.01 0.69 0.60 0.91 1.14 1.44 1.11 ≤1.00 ≤1.00 1.54 1.54 1.37 1.68 1.41 1．43 1.49 0.54 0.69 0.69 0.55 0.55 0.56 0.37 Ni Mo Mn Cu Nb
GTD-450
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叶片材质分析
对现场带回一个小的金属碎片进行理化分析： 光谱分析与现场基本一致（磨制前）。 金相显微观察，组织为马氏体+少量的铁素体，马氏体位向明 显，组织无异常。
(a)电解腐蚀500倍源自(b)化学腐蚀200倍4
综合分析 现场总共发现四处断裂残缺的叶片 上缸S5级静叶 下缸S1级静叶 ① 下缸S5级静叶 R6级动叶
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现场检查情况
S5级静叶在转子上留下整圈的刮擦痕迹。
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现场检查情况 2）燃气轮机叶片检查情况
燃气轮机叶片共3 级，叶片表面普遍 存在异物击打损伤
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现场检查情况
部分燃机叶片边缘已出 现缺口
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现场检查情况
第1级喷嘴几乎每片在根部均可发现裂纹
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叶片材质分析
压气机叶片选材要求及常用材料 必须有良好的抗氧化锈蚀的能力。 动叶片还需承受很强的离心应力和振动应力等，要求有高 的强度、良好的抗振性能、韧性和抗疲劳强度。 现有的重型燃气轮机压气机叶片的工作温度低于 500℃， 广泛采用含12%~13% Cr的马氏体不锈钢制造动叶片和静 叶片。 12%~13%Cr钢不但 有足够的强度，良好的抗氧化腐蚀性 能外，还有优良的 抗振性能。 根据电厂提供资料，压气机0-8级叶片的材料牌号为GTD450，相当于一般铬不锈钢添加6.5%Ni，与我国2Cr13相 似；9-17级叶片的材料牌号AISI-403+Nb