汽轮机叶片断裂案例分析-091229

大型汽轮机叶片事故原因分析
在火电厂、核电厂机组运行过程中，汽轮机叶片工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中，经受着离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区高速水滴冲蚀的共同作用，再加上难以避免的设计、制造、安装质量及运行工况、检修工艺不佳等因素的影响，常会出现损坏，轻则引起汽轮发电机组振动，重则造成飞车事故。

因此，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。

汽轮机叶片事故长期困扰电厂机组的安全经济运行。

从国内统计数据看，叶片损坏事故占汽轮机事故的30%。

叶片损坏的位置，从围带到叶根都有。

据日本历年的统计资料，各部位出现损坏的百分率见表1。

此外，汽轮机各级叶片的损坏机会是不均匀的，据美国对50台大型机组的统计，叶片事故几乎全发生在低压缸内，其中末级占20%，次末级占58%，而且集中区是高压第一级，即调节级。

据日本的统计，也有20%的事故发生于此。

因此，在汽轮机设计和运行时，均应注意这些部位。

叶片损坏的原因是多方面的，可以从不同角度加以分析。

例如，从发生的机理区分，60%～80%的损坏原因是振动；从责任范围区分，可归纳为设计、制造、安装、运行和老化等。

在实际工作中，如果能及时找出主要原因，掌握叶片事故前后的征兆，采取相应措施，就能避免事故的发生，提高机组的使用寿命和安全可靠性。

1、近年来大型机组叶片损坏概况
从近年来发生的17例叶片故障统计中，笔者分析了上海汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机有限责任公司、东方汽轮机厂、北京重型电机厂(表中简称上汽、哈汽、东汽、北重)生产的以及美国、日本、前苏联和欧洲一些国家引进的200 MW以上超高压、亚临界及超临界压力大功率汽轮机叶片故障。

这些故障造成叶片损坏的形式分为损坏(丧失基本功能，危及安全)和损伤(降低经济性，能安全使用)。

叶片损坏形式：折断、裂纹、扭弯、二次损坏及其它；
叶片损伤形式：蜂窝状、开焊、麻点、锈蚀、擦伤。

2、叶片故障原因分析
2.1 叶片故障的特点
(1) 叶片故障发生在低压缸的有13例，占统计总数的82.35%，而末级叶片损坏又为多发部位，有9例，占统计总数的52.94%，调速级有2例，占统计总数11.76%，中间级所占比例很小。

(2) 运行维护方面的问题是近期引起叶片损坏的主要原因。

由于1996年以来大部分地区电力负荷需求不旺，致使大机组长期在低负荷下运行。

而许多大机组末级叶片按常规基本负荷设计，没有考虑调峰运行和高背压运行的需要，在小容积流量下长期运行的性能及对寿命损耗的影响难以确定。

由于当时技术水平的限制，叶片未能按三元流方法设计，因而气动性能较差。

末级反动度沿叶高变化剧烈，叶型顶部的反动度大，底部的反动度小。

后者愈小，在部分负荷运行时愈容易产生脱流，进而增大叶片动应力响应，并产生出汽边水冲蚀。

这使末级叶片运行环境更差，叶片更容易出故障。

(3) 引进机组叶片损坏多为叶片设计制造问题。

(4) 调节级动叶及喷嘴受固体粒子冲蚀严重，由于不影响安全运行，没有引起足够重视，但它直接影响机组效率。

2.2 叶片损坏原因
2.2.1 设计原因
(1)叶片振动特性设计不准，使叶片及轮系发生共振，而引起叶片断裂。

占统计总数的23.53%；
(2) 叶片设计动强度不足，使叶片出现故障。

占统计总数的17.65%。

2.2.2 制造原因
制造方面引起的叶片事故最多。

如叶片装配的问题，还有机械加工的问题，占统计总数的58.82%。

2.2.3 运行原因
运行方面引起的叶片故障也不少。

如水蚀、水击、蒸汽参数低、湿度大、长期高周波、低负荷运行、频繁启停、汽水品质不好等，占统计总数的35.29%。

2.2.4 检修原因
检修方面引起的叶片故障有更换叶片未按规程进行，占统计总数的11.76%。

2.2.5 叶片材料原因
叶片材料缺陷，造成叶片损坏的有：材质不良、选材不当、材料热处理不当，占统计总数的17.65%。

3 防止叶片损坏事故的措施
3.1 用户应作好对制造厂的叶片监造工作，对机械加工、装配、检查和试验等，特别是装配的质量，应层层把关，把存在的问题消灭在萌芽状态，保证出厂产品质量优良。

3.2 安装过程中，要对叶片外观进行检查，对叶片频率进行复测，以检查制造厂提供叶片频率数据的真实性并建立叶片技术档案。

为了防止损坏叶片，在汽、水系统的设计、安装过程中，应布置合理的疏水系统。

3.3 机组运行操作，必须严格按制造厂及运行规程所规定的程序进行，杜绝错误的运行操作程序，以防止由于操作不当而导致叶片损坏。

3.4 检修中，对汽轮机叶片的检查和维护应按正确合理的维修工艺进行。

(1) 对叶片进行外观检查，对损伤的轮级叶片进行探伤和仔细检查，严禁带缺陷运行。

(2) 对叶片进行静态振动频率测试，尤其对损伤的轮级叶片振动频率测试更为重要。

(3) 防止损伤叶片的残骸及检修工具杂物遗留在汽缸内。

(4) 防止对布置的中、低压缸前后隔板装错。

(5) 受机械损伤和水蚀的叶片在检修时应按合理的维修工艺及时进行修复。

(6) 更换汽轮机叶片时，叶片装配质量应符合ZBK54018-98"汽轮机主要零部件(转子部分)加工装配技术条件”的要求。

(7) 对动静叶片结垢、第1级叶片的冲刷和末级叶片的水蚀要足够重视，并应在大修中进行处理和修复，否则将影响机组效率。

例如，对于300 MW及600 MW机组，由于结垢使调速级喷嘴面积减少10%，机组的出力将减少3%；由于外来硬质异物打击叶片损伤以及固体粒子侵蚀叶片损伤，视其严重程度都可能使级效率降低1%～3%。

(8) 对100 MW以上机组进行通流部分改造，以提高效率和增容时，不要忽视对通流部分损伤所造成的损失。

针对叶片及拉筋的断裂情况，进行叶片振动频率、拉筋材质、强度等方面的分析，找出机组低压转子叶片及拉筋的断裂原因。

关键词：叶片拉筋频率疲劳断裂分析原因
0前言
神头二电厂2×500MW机组系原捷克斯洛伐克斯克达（SKDOA）汽轮机厂制造，该机组为亚临界一级中间再热、单轴、四缸（高压、中压、两低压）、四排汽、双背压、凝汽式汽轮机。

低压缸双流程双缸结构，低压转子为2×6级嵌压设计，1-3级叶片叶顶有铣制围栅，4-6级叶片为自由叶片。

由于低压转子4、4A级叶片及拉筋设计原因致使叶片及拉筋多次发生断裂，严重影响机组的安全运行。

具体情况为：（1）#1机组从投产至今，期间发现#1低压转子4a级叶片边裂纹至拉筋处，距叶顶107mm，裂纹最大宽度2mm，裂纹长32mm，#1低压转子4a级拉筋断裂3处，#2低压转子4a级拉筋断裂1处。

（2）#2机组从投产至今曾两次发生叶片断裂事故，第一次断叶片发生在#1低压转子，断开部位在#5叶片拉筋孔处。

第二次断叶片发生在#2低压转子，#25叶片距根部80mm处断开。

（3）#1低压转子4、4a级发生拉筋断裂120处。

1分析
1.1叶片频率分析
根据单个等截面叶片自振频率的计算公式
E——叶片材料的弹性模量（N/m2）
I——叶片截面的惯性矩（m4）
ρ——叶片材料密度（kg/m3）
l——叶片高度（m）
A——叶片横截面积（m2）
Kl——频率方程的根
可以得出：叶片的自振频率与惯性矩的平方成正比，即叶片的刚性越大自振频率越高，而与叶片单位长度的质量的平方根成反比，即叶片单位长度的质量越大或叶片越重自振频率越低。

叶栅中的拉筋对叶片的振动频率有两个相反的影响。

首先，拉筋阻止叶片产生切向弯曲振动，即增加了叶片的刚性，提高了叶片的自振频率。

同时，由于拉筋的存在相当于增加了叶片的重量，所以降低了叶片的自振频率。

以上两种相反效应的综合，最终决定叶片自振频率的增减。

但一般来说，刚性所起的作用大于质量的反作用，故叶片成组后，自振频率将不同程度有所提高。

从机组未修前进行的测频结果可以看出，单叶片频率低（233—241Hz），成组叶片频率合格（249—256Hz），拉筋完好的叶片组A0型振动频率范围一般在250—256Hz 之间，对于本级（L1—4A；L1—4；L2—4A；L2—4级），叶高L=340mm，叶轮平均直径Dm=1890mm，动频率系数B=3，叶片5、6片成组。

（5片一组的22组，6片一组的3组，一共25组，128片叶片）
当K=5，系统周波为50Hz时，本级的A0型振动的共振区动频范围为237.5Hz—262.5Hz，其共振危险区静频范围为221.15Hz—247.8Hz。

当K=5与K=6之间，系级周波为50Hz时，本级叶片对于A0型振动的安全静频范围为247.8Hz—274.7Hz。

1.1.1从测频结果中可以看出，当周波为50Hz时，如拉筋发生断裂，叶片连接成组的组内叶片数就会发生变化，从测频结果中看出，对单只叶片或两个叶片组的叶片频就落入了K=5的共振危险区，有可能使这些叶片发生共振，从而使叶片发生断裂。

1.1.2拉筋发生断裂后，造成叶片三片成组的叶片，部分组落入K=5的共振区，另一部分则在K=5时的安全区的边缘。

（三片成组的叶片A0型振动的频率范围为246Hz—253Hz）
1.1.3对于四片成组的叶片与拉筋完好时，5、6片成组的叶片，在周波为50Hz时，A0型振动是安全的。

（其频率范围为248Hz—258Hz）
1.1.4对L1—4A级及L2—4A级A0型振动频率普遍较L1—4、L2—4级低。

其频率范围在250—253Hz之间，如果电网周波升高到51Hz时，对于频率为250Hz 的叶片组，其共振安全率△=4.5∠5，落入了K=5时共振区，也就是说当电网周波波动到51Hz时，频率为250Hz的叶片就会发生共振，危及叶片的安全。

1.2拉筋的强度核标
本级叶片在叶高约220mm处穿有一道φ7的焊接拉筋。

通过光谱确定拉筋的材料为铬钢（1Cr13）。

本级拉筋计算承受的离心弯应力为б=17517.2kg/cm2时认为拉筋是安全的，因此本级拉筋的强度是足够的。

1.3叶片的材质及硬度
根据捷方提供的资料及进行的光谱分析，叶片材质为1Cr13，硬度为HB222，符合B/HJ420-96的标准要求。

且断口金相组织较均匀，未发现夹杂物等缺陷。

2讨论
通过几次叶片拉筋损伤观察，以及叶片断裂宏观检查和金相分析，我们初步得出的结论是：运行中拉筋开焊、断裂，然后叶片发生疲劳损伤，与叶片的材质和强度无关。

具体原因如下：
（1）拉筋断裂、开焊原因
1）拉筋焊接缺陷方面
a施焊不饱满，不均匀；
b拉筋焊接温度高，产生热应力；
c焊接方法不当（叶片施焊应从内弧侧即把叶片水平放置，内弧向上）
2）叶片拉筋局部过热；
3）运行工况控制不当，如真空低、抽汽不足等，使得4级、4A级叶片受到水冲击，拉筋受到额外附加应力，发生了断裂。

另外拉筋强度、富裕量偏小；
4）拉筋材质方面，筋相组织发生变化；
（2）叶片断裂原因
1）由于拉筋断裂、开焊，使叶片频率改变，尤其是单只叶片频率降低较多，陷入共振区中而断裂；
2）拉筋孔处局部淬硬或金相组织颗粒变粗；
3）设计不当或加工注意；
4）叶片装配质量方面；叶片根部贴合不好或未铆紧，使叶片自振频率低而陷入共振区。

3对策与措施
根据以上分析，有针对性地制定如下措施：
（1）在运行中严格控制电网频率的波动。

（2）为减小叶片单位长度上的质量，提高叶片的指针频率，对#2机、#1、#2低压转子，#1机#1、#2低压转子4、4A级叶片顶部打孔，以调整单只叶片频率及成组叶片频率，钻孔减荷较未钻前单只叶片频率提高10Hz以上，使其处于共振安全区内。

Φ4.8每毫米深减轻重量0.139g，Φ5.8每毫米深减轻重量0.203g，每只叶片打孔共减轻重量为55×（0.139 0.203）=26.455g，为了避免由于打孔深度不一，造成叶片动不平衡及静不平衡，叶片第一次打孔后，测量叶片打孔深度，确保成组叶片与圆周对应部分相差1g以内，如相差大于1g，应重新调整打孔。

(3)为提高拉筋的强度，进一步提高富裕量，对#1、2机低压转子4、4A级叶片穿钛合金拉筋。

(4)从拉筋断口处可以看出造成拉筋断裂的拉应力水平较高，应为叶片进汽的蒸汽湿度大而产生水击现象，使拉筋承受的拉应力大大超过预设拉应力。

为此在运行中应提高再热汽温度，增加蒸汽压力，提高凝汽器真空，尽量避免长周期低负荷运行。

同时，将原来的焊接死拉筋更换为钛合金半圆松拉筋，5-6个叶片为一组，在运行状态下借助于拉筋本身的离心力作用产生的摩擦力大于叶片的振动力，以达到抑制振动的目的。

而拉筋本身受力较小，不会发生断裂。

(5)检查并加固叶片叶根，使其固定牢固。

4改进效果
利用2001年和2003年#1、#2大修的机会，经过以上几条措施的改进，低压转子4级、4A级叶片成组叶栅的振动频率提高到260-270Hz，在安全振动频率247.8—274.7Hz范围内，频率分散度A=2.27-2.31＜8，合格。

改进后历经几次机组中小修检查，低压转子4级、4A级叶片及叶片拉筋未发现裂纹或断裂，极大地促进了机组的安全运行，防止了断叶片事故的发生。