汽轮机叶片断裂分析

虞 挺 :汽轮机叶片断裂分析
图 2 有贯通裂纹叶片的裂纹位置 (mm) Fig. 2 The crack po sition of t he blade wit h
penet rant crack
图 5 扫描电镜断口照片 35 × Fig. 5 The f ract ure pattern by SEM
7 结论及预防措施
根据上述检验结果和分析 ,失效叶片的断裂属 高周低应力疲劳断裂 。叶片的出气边较薄 ,长期在 蒸汽的动应力作用下 ,产生疲劳微裂纹 。该裂纹开 始扩展的速度较慢 ,当裂纹长度超过一定值后 ,扩展 速度加快 ,最后导致叶片断裂 。
为了在今后汽轮机的正常运行中避免该事故的 发生 ,建议采取以下措施 :
≥550 800～ ≥15 950
5. 4
260
5. 2
266
≥3. 5 230～ 275
从表 2 可知 ,叶片实物测试性能符合德国 D IN 标准的 X 20 Cr 30 钢经 980～1 030 ℃油冷 ,750～ 650 ℃回火处理后的力学性能 。
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6 综合分析
(1) 综合上述检验结果 ,可知失效叶片满足德 国 D IN 标准关于 X20Cr30 钢号的成分和热处理后 的力学性能 。所以叶片材质合格 。
图 6 扫描电镜断口 600 × Fig. 6 The f ract ure pattern by SEM
6 。断口中有明显的疲劳辉纹 ,因此断裂性质为疲劳 断裂 。
3 叶片材料成分分析
图 4 断裂叶片的宏观断口 Fig. 4 The macro scopical appearance of
收稿日期 :2005203228 作者简介 :虞 挺 (1973 - ) ,男 ,工程师 。
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图 1 断裂叶片 Fig. 1 The rupt ured blade
2 叶片的断口分析
2. 1 叶片的断裂位置 观察有贯通裂纹的叶片和断口叶片所发现的裂
纹位置见图 2 和图 3 。其断裂位置均在叶片高度约 一半处 ,裂纹起源于出气边 。 2. 2 宏观断口检查
2002 年 9 月 ,汽轮机振动突然增大 ,其中进口 振动值升至 22μm ,出口振动 45μm (正常运行时在 15μm 以下) 。同时 ,轴承温度也明显上升 ,进口处 轴瓦温度升至 78 ℃,出口处轴瓦温升至 84 ℃(正常 运行时在 50 ℃左右) 。对机组进行开盖检查 ,发现 汽轮机最后一级动叶片有一叶片断裂 ,如图 1 所示 ; 另一片叶片在 3/ 5 处有贯通裂纹 , 裂纹起源于出 气边 。
Thro ugh t he f ract ure analysis of t he blade , t he analysis abo ut t he component of blade material , t he micro st ruct ure and t he capability of t he mechanical intensity , t he result showed t hat t he p heno menon was fatigu f ract ure. Some p reventive measures for t he blade failure were brought fo rward.
表 2 叶片实物取样的力学性能
Tab. 2 The mechanical p roperty of t he sampling blade
项目
σ0. 2
σb
δ5
/ MPa / MPa / %
Ak
硬度
/J
/ HB
测试值
X20Cr30 标准值 (德国 DIN)
718
869 18. 87
710
852 19. 68
叶片断裂或产生裂纹的情况都出现在最后一 级 。裂纹叶片的宏观观断口由平断口和斜断口两部
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理化检验 - 物理分册
Y U Ting
(Bao shan Iron & Steel Co . L td. , Stainless Steel Branch , Shanghai 200431 , China)
Abstract : The rupt ured blade of steam t urbine t hat had been used fo r five years was int roduced briefly.
理化检验 - 物理分册
姜海一等 :再沸器疲劳失效分析
图 10 P E28 再沸器振动测试图 Fig. 10 Vibratio n test of PE28 heat exchanger
相检验均证明 ,管板的质量存在一定的问题 。主要 表现为晶粒粗大 、硬度偏低 、屈服强度偏低和冲击韧 度偏低 。在相近的受力状况下 ,全部裂纹都位于管 板一侧 ,说明热影响区部位的性能与壳体和焊缝差 距很大 。
图 3 断裂叶片的断裂位置 (mm) Fig. 3 The f ract ure po sition of t he rupt ured blade
分组成 ,平断口起源于出气边 ,长度约占叶片宽度的 75 %。平断口部分有海滩状花样 (图 4) ,因此初步 判断断口性质为疲劳 ,裂纹源周围未见明显腐蚀及 机械损伤 。图 5 为扫描电镜像 ,显示出疲劳断裂的 宏观特征 ———海滩花样 。
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理化检验 - 物理分册
虞 挺 :汽轮机叶片断裂分析
(a) 叶片薄区
(b) 叶片厚区 图 7 叶片的显微组织 500 × Fig. 7 The micro st ruct ure of t he blade
理的 。
5 叶片的力学性能测试
在叶片根部的榫头处制取拉伸和冲击试样 。拉 伸试样尺寸为 < 5 mm ×25 mm 的圆柱试样 ,冲击试 样按 德 国 DVM 冲 击 试 样 加 工 。拉 伸 试 验 在 Zwick/ Roell 拉伸试验机上测定 ,冲击韧度在美国 SI2IC3 冲击机上测定 ,测定结果见表 2 。
Key words : Steam t urbine ; Blade ; Fract ure ; Failure analysis
1 情况简介
宝钢不锈钢分公司从德国 MAN GH H 公司进 口了 D K063/ 110 汽轮机 ,用于 750 m3 高炉配套鼓 风设施 ,于 1991 年投产 ,实际服役寿命 5 年 。该汽 轮机功率为 6 240 kW ;转速为 5 064～8 090 r/ min , 工作转速为 6 710 r/ min 。1999 年 4 月进行开盖大 修 ,检修中对汽轮机动叶片进行着色探伤 ,未发现微 裂纹 。
0. 004 ≤0. 030
13. 45 12. 00～14. 00
0. 332 ≤0. 50
Mo 0. 119
-
% Cu 0. 134 ≤0. 30
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理化检验 - 物理分册 P TCA ( PA R T :A P H YS. T ES T. ) 2007 年 第 43 卷 5
质量控制与失效分析
汽轮机叶片断裂分析
虞 挺
(宝山钢铁股份有限公司 不锈钢分公司 , 上海 200431)
摘 要 : 实际服役寿命为 5 年的汽轮机叶片发生了断裂 。对叶片断口 、材料的化学成分 、显微组 织和力学性能进行了分析 。结果表明 ,叶片的断裂属于高周低应力疲劳断裂 。针对叶片失效情况 提出了一些相应的预防措施 。
(2) 再沸器的受力状态 通过对直径最大的一 台 P E28 再沸器进行的弹性有限元应力分析计算 , 得到出现裂纹部位的最大应力强度为 164 M Pa 。而 根据标准 , 管板材料 ( 00Cr17Ni14Mo2 钢 锻件) 在 250 ℃下的许用应力 [σ] 为 100 M Pa 。需要指出的 是 ,有限元计算所得的是再沸器局部一点的应力 ,并 且包含了温度应力分量 ,因此该应力强度属于一次 加二次应力强度 。按压力容器分析设计思路 ,该应 力强度应由 3 [σ]来限制 。因此该部位的一次加二 次应力强度值并未超标 。
(2) 断裂源都起源于较薄的出气边 ,这是由于 该区域强度相对较弱 ,且是气流出口端 ,气流速度较 快 。断裂叶片的最后撕裂区面积较小 ,说明动 、静应 力都不太高 。
(3) 根据宏 、微观断口形貌 ,得出 : ①平断口是疲劳性质的断裂 。因平断口占叶 片宽度的 75 % ,因此属高周低应力疲劳断裂 。 ②粗糙断口是由于裂纹扩展后 , 叶片强度降 低 ,所承受的应力增加 ,最后断裂造成的 。 ③疲劳源的位置在出气边 ,位于叶片高度的一 半处 。疲劳源处未发现明显腐蚀及机械损伤 。因此 引起疲 劳 破 坏 的 原 因 可 能 是 材 料 问 题 或 外 应 力 问题 。 (4) 因在疲劳源区未发现明显的腐蚀及机械损 伤 ,且材质合格 ,所以汽轮机叶片的断裂和产生裂纹 的原因应从叶型的气动设计分析和叶片的强度设计 方面去考虑 ,要在这两方面有所改进 。 (5) 汽轮机叶片断裂和产生裂纹的部分都发生 在叶片长度约一半左右 ,这个部位是叶片设计叶型 扭转的过渡区域 ,在这个部位所受的外力不均 ,易产 生周期性应力疲劳 。 (6) 导致叶片疲劳的原因还有一点就是蒸汽中 饱和水较多 ,在膨胀作功时 ,细小的水滴对动叶也有 较大的冲击 ,使得叶片产生的振动有时可能会与动 叶片的频率接近 ,此时会产生共振 。
有限元计算亦表明 ,上管板处应力远大于下管 板处 ,实际情况也是上管板发生裂纹较下管板严重 的多 ,说明应力水平高低对是否产生裂纹有显著的 影响 。而弹簧支座与固定支座对再沸器的应力水平 有较大影响 ,固定支座模型的计算结果远大于弹簧 支座 。说明采用弹簧支座有助于改善再沸器的受力 状态 ,从而降低产生裂纹的可能性 。
项目 实测值 标准值
C
0. 2 0. 17～0. 22
表 1 叶片材料的化学成分分析结果
Tab. 1 The result s of t he chemical compo sition of t he blade
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
0. 405 ≤1. 00
0. 443 ≤1. 00
0. 021 ≤0. 045
关键词 : 汽轮机 ; 叶片 ; 断裂 ; 失效分析
中图分类号 : T K263. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 100124012 (2007) 0520250203
T H E FRAC TU R E ANAL YSIS O F BL AD E O F S T EAM TU RB IN E
(1) 定期对汽轮机进行开缸检查 ,特别要加强 对叶片的检查 。对叶片进行探伤和测频 ,以便及早 发现问题 。
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力作用下 ,绝大部分断口的细节被压伤磨平 ,仅在平 断口裂纹扩展的前端 ,还保留着一些断口细节 ,见图
在叶片薄区和较厚区分别取样做金相分析 ,结 果见图 7a 和图 7b ,组织为回火马氏体 。
显微硬 度 测 定 结 果 , 薄 区 和 厚 区 均 为 270 ～ 285 HV0 . 6 。这说明被检的叶片是经淬火加回火处
t he rupt ure blade
叶片材料的成分 (质量分数) 分析结果与德国钢 号的对比情况见表 1 。
从表 1 可知 ,叶片材料化学成分符合德国 DIN 标准的 X20Cr13 钢号要求 。
4 叶片的显微组织与显微硬度
2. 3 微观断口分析 由于叶片材料比较软 ,而循环周次长 ,在交变应