汽轮机末级叶片损坏的分析及对策

汽轮机末级叶片损坏的分析及对策

赵秋艳（鹤矿集团热电厂汽机车间，黑龙江鹤岗１５４１００

摘要：汽轮机叶片的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电厂的安全、满发。鹤矿集团热电厂在大修过程中，曾发现过末级叶片断裂、汽蚀现象。通过对鹤矿集团热电厂四台机组末级叶片损坏的形式进行分析，认为末级叶片型线下部普遍存在出汽边水冲蚀损伤，外来硬质异物击伤和固体粒子侵蚀，叶片断裂、结垢及其它损伤，分析了其损伤机理，介绍防范措施。关键词：汽轮机；叶片损伤；损伤机理；断裂

前言：叶片是汽轮机最精细、最重要的零件之一。其运行状况对机组的安全可靠起决定性的影响。如果叶片发生断裂，将引起机组振动、通流部分动、静摩擦，同时损失效率；若没有及时发现或及时处理，将引起事故扩大，可能导致整台机组毁坏，其经济损失数以万计。因此，很有必要及时调查研究、分析、总结叶片尤其是末级叶片发生的各种损伤及寻找规律，以期制定防范、改进措施，避免发生大的损失。

１汽轮机叶片损伤概况

鹤矿集团热电厂１＃机为武汉汽轮机厂生产的型号为ＦＣ２５－３．４３／０．３５型汽轮机，在近几年的大修过程中也曾发现叶片根部出汽边水冲蚀、顶部进汽边水冲蚀、异物击伤叶片等。

我厂２＃机为武汉汽轮机厂生产的型号为Ｃ２５－３５／３型汽轮机，在今年的大修中，发现叶片问题比较严重：围带飞脱、断裂、个别拉金断裂、腐蚀麻坑等。

我厂３＃机为哈尔滨汽轮机厂生产的Ｃ５０－８．８３／０．１１８型汽轮机，２００６年６月１５日按照小修计划对末级叶片进行检查时，发现１９级叶片有一处断裂，随即揭缸检查，并对末级叶片进行了探伤检查，发现存在以下问题：

第１９级３０＃、８０＃叶片损伤严重，７０＃叶片断裂，同时拉筋、围带均断裂，有９处拉筋套开焊（其中有３处是去年补焊过的）。

出汽边汽蚀：有３０个叶片出汽边有汽蚀现象，其中５处比较严重，有１处细小裂纹，有２２个叶片有叶根腐蚀现象，其中５处比较严重。

这几台机组低压级叶片在实际运行过程中，由于种种原因在叶片、叶根、拉筋、围带及司太立合金片等部位经常发生故障，末级叶片的水冲蚀损伤相当普遍。

２末级叶片损伤形式及原因分析

２．１末级叶片断裂。汽轮机末级叶片的可靠性是一个非常复杂的问题，它涉及到空气动力学设计、机械设计及材料选用的标准等。总的来讲，末级叶片出现裂纹和断裂事故的原因大致可归纳如下：

２．１．１汽轮机末级叶片是在湿蒸汽条件下工作的，加之末级动叶叶顶的线速度为超音速，这样对末级叶片的水蚀和水涮更为严重。

２．１．２末级叶片材料的抗疲劳性能如何，特别是在湿蒸汽工作条件下的材料抗腐蚀能力，对末级叶片的可靠性非常关键。我厂这几台机组末级叶片采用的是司太立合金片，司太立合金片经长期运行有可能贴合面不牢，钎焊质量不好，会造成局部应力过大，容易发生断裂。２．１．３末级叶片的可靠性必须对频率特性进行详细计算，将其工作频率调整到转动频率的倍率，但实际上叶栅的工作频率相对网频的偏差有严格的要求和规定。如苏联规定叶片可靠性工作范围是４９￣５０Ｈｚ，但当降低到４７￣４９Ｈｚ时，只能工作几分钟。众所周知，末级叶片长期在低周波条件下运行，则会产生低周波疲劳，加速叶片出现裂纹并导致断裂。２．１．４末级叶片叶根与叶轮轮缘装配在一起。这是汽轮机应力最集中的部位，加之末级叶片直径大，动态离心力也大，这些困素要求叶片材料必须有超常的抗疲劳强度。如经机加工后的叶根与叶轮轮缘的紧配合精度达不到要求，则很难确保叶片不发生断裂事故。

２．１．５众所周知，在同一级末级叶片实测的各叶片在同一振型下的固有频率并不完全相同。这种叶片的频率离散性是由制造和装配的差异引起的，叶片材料的机械性能因材质和热处理的离散性也不完全相同，这就致使各叶片的频率有一定差别。严格来讲，末级叶片的设计因其是变截面叶片，应增加级的热降和根部的反动度，使其频率不等于干扰频率的倍数。２．１．６提高末级叶片可靠性的措施。（１）提高材料的抗疲劳性能。就当前末级叶片的材料来看，单纯地提高材质的抗疲劳性能有一定问题，还应提高和改善其它诸方面因素，如：汽水品质、结构设计、运行条件、系统性能等，以补偿材料的抗疲劳性能。（２）严格控制蒸汽的化学品质。为了不使末级叶片处于盐溶区工作条件下，就必须保证蒸汽的品质。目前市场已经能买到蒸汽化学品质监视器，它能指示出低压末级叶片所处的工作环境是否在盐溶区域。（３）改进叶片的结构设计。从设计角度来看，末级叶片的固有频率取决于质量分布半径、惯性矩、转子刚性、拉筋位置和刚性。其固有频率正好处于两个共振频率的中间频带，避免一阶振型和产生高频振型，从而避开共振点。末级叶片的抗振不仅仅取决于工作频率的调整，并且也取决于共振发生时其动态应力是否小。蒸汽流施加给动叶片的力和动叶片旋转引起的离心力形成蒸汽涡动和不稳定力叠加在静叶出口流道，作用到动叶上，当其作用力很复杂时，由此产生疲劳而引起振动和应力过高，长期运行会导致叶片出现裂纹和断裂。２．２叶片型线下部普遍存在出汽边水冲蚀。末级叶片型线下部出汽边的水冲蚀损伤是这几台机组的共同问题。末级叶片出汽边的水冲蚀损伤已成为影响机组安全运行的普遍问题，应给予高度重视。

出汽边水冲蚀所造成的后果不仅使叶栅的气动性能恶化，级效率降低，更严重的是对汽轮机的安全运行造成威胁。水冲蚀形成的锯齿状毛刺造成应力集中以及减小叶型根部截面的面积，还会影响到叶片的振动特性，大大地削弱叶片的强度，这就增加了末级叶片断裂的危险性。

２．２．１出汽边水冲蚀机理。汽轮机在低负荷运行时，末级的工况变化最大。随着机组功率的增大，低压级组子午流道扩张角增大，叶高增加，当其相对设计工况的容积流量急剧减小时，会使流场参数发生很大变化。末级叶片在小容积流量、真空工况运行，叶片底部会出现较大的负反动度，结果对设计不良的动叶片下半部造成大范围的回流区。负荷越低回流区越大，在起动和并网初始，回流范围甚至扩大到整个排汽缸。汽轮机的末级排汽湿度总是比较大的，末级动叶后汽流中携带有大量的水滴，回流的蒸汽运移着水滴冲击在高速旋转的动叶片下半部的出汽边。另外，当排汽缸喷水装置设计、安装不当或喷水过量时，会加重出汽边的水冲蚀。

２．２．２末级叶片出汽边水冲蚀的初步分析。从我厂的这几台机组来看，其末级叶片在运行中遭受出汽边水冲蚀，其起因除了从设计上末级叶片气动性能低劣和排汽缸喷水减温系统结构设计欠缺以外，从运行上其主要原因可能与低负荷运行有关。

２．２．３防范措施。（１）研究末级叶片出汽边水冲蚀的机组低负荷运行方式，用最新的三元流理论验算并有选择性地进行流场和动应力实测，以确定机组带最低负荷的安全限制值，并将其列入运行规程。（２）尽量缩短机组在空负荷附近的运行时间。（３）检查排汽缸喷水减温装置，其结构设计落后或喷水过多的予以更改。

２．３外来硬质异物击伤叶片和固体粒子侵蚀。我厂历年来的大修记录显示，４台机组大修情况，其中２台汽轮机，均遭受外来异物不同程度的击伤，受损伤部位主要为低压级叶片，在去年的３＃机大修时，还观察到在末级叶片上受异物打击的痕迹。

外来硬质异物击伤叶片具有永久性、难以维修的特点，通常会引起相当严重的后果：一方面引起汽轮机热经济性降低；另一方面进行修理或换新备品代价十分昂贵，维修费增加。固体颗粒侵蚀叶片的损伤一般发生在锅炉起动或长期低负荷运行情况下，特别在锅炉起动时，锅炉过热器管由于受热冲击可能在管内侧发生氧化铁剥落形成固体颗粒，固体颗粒随蒸