阿尔斯通公司叶片根部形状设计及改进与开发(翻译稿).doc

1 阿尔斯通公司叶片根部形状设计的改进与开发1.1 棕树形叶根二十世纪六十年代中期到八十年代中期阿尔斯通公司的高、中压缸最初几级动叶均用棕树形叶根作为标准根部形状。在此期间，叶根的形状不断得到改进（见附录1）。采用这种叶根，负荷得以在两对棕树叶形上分布，使叶根的大小，特别是轴向的尺寸尽可能紧凑，又不至于影响离心力的可靠传递。通过维持轴系和叶片材料不同的热膨胀系数以及制造厂的允许偏差值，可以确保在稳定运行工况下负荷在两对棕树叶形上得到理想分布。有限元计算结果显示上、下棕树叶形之间的径向差胀会导致瞬态运行期间发生负荷传递。1.2 带减重孔的棕树形叶根为了适应汽缸尺寸的不断增大及由此产生的较大离心力，在原棕树形叶根设计的基础上推出了一个改进设计，即增加了一个减重孔。这种设计被应用在部分汽缸上（见附录1）。该设计思想是为了减小叶根的离心力。瞬间有限元计算结果显示增加减重孔后并不影响叶根的受热。与原设计相比，两对棕树叶形之间的径向差胀几乎是相同的，但轴的叶槽的径向差胀却不同（见附录2）。1.3 倒T形叶根自二十世纪八十年代中期以来汽机高、中压缸一般都采用倒T形叶根设计（见附录1）。该设计使瞬态运行下的额外负荷得以可靠承受。这种设计的改良型可以用来更换原来棕树形的叶根，特别适用于带调节级叶轮的汽缸（见附录3）。该形状的叶根呈径向分布，可以装入原棕树形的底部叶槽中。为此，需要重新加工轴的叶槽。2. 受损情况2.1 高压缸叶片受损情况1996年2月20日，一台750MW的再热型汽机的1、2号轴承振动突然变大。1996年3月利用该机计划停机的机会测量了振动值，证实了起先的一个怀疑，即高压缸的平衡状态已发生根本性改变。随后所进行的内窥镜检查发现根部7片叶片断裂，并且不见断裂物。2.1.1 出事汽机介绍该台汽机由一台高压缸、一台中压缸和两台低压缸组成。高压缸（见附录4）为双壳体带嵌入内缸设计。汽机调试日期：1983总运行小时数 73928总启动次数1409上次高压缸检查1990上次大修后运行小时数36272上次大修后启动次数 745高压缸共有20级叶片。高压转子16级动叶由棕树形叶根固定，720级为倒T形叶根，在第1级动叶的根部开了两个减重孔（见附录5）。大轴材料：21CrMoV51116级动叶材料X12CrNiWTi1613(wkv)720级动叶材料X22CrMoV121第1级叶片根部运行温度525 C2.1.2 受损部位检查结果第1级动叶根部横截面处7片叶片断裂。裂纹贯穿进气边的上部支持处到较低的那个减重孔（见附录6/7）。裂纹的起始点与叶槽大轴支撑肩的受压点不一致。在第1级动叶的随后2片叶片上也发现裂纹，其起始点与断裂叶片相同。在进汽边断裂叶片的下部支持处以及第1级动叶随后2片叶片上（见附录6/8）发现裂纹和贯穿性裂纹。裂纹的起始点与大轴支持肩的受压点一致。第2级动叶解体后发现4片叶片的下部支持处有裂纹和贯穿性裂纹。由于上部支持处完好无损，叶片仍被紧密地固定在转子上。裂纹始于大轴支持肩的受压点。第3级动叶 在该级1片叶片的大轴支持肩的受压点处发现线状痕迹，但尚不能明确归为裂纹。2.2中压缸叶片受损情况1997年11月利用一台440MW再热型汽机计划停机的机会,对该台汽机的中压缸进行了内窥镜检查，发现第2级动叶有1片叶片不见了。于是决定开缸检查。2.2.1 该台440MW再热型汽机由一台高压缸、一台中压缸和两台低压缸组成（见附录9）。其中压缸部分为法兰连接单壳体设计。汽机调试日期：1982总运行小时数 78000总启动次数450上次中压缸检查1993上次大修后运行小时数19000上次大修后启动次数 135该单流中压缸有12级叶片，所有动叶均固定在棕树形叶根上，其中第1、2级动叶开有减重孔（见附录10）。大轴材料：21CrMoV51115级动叶材料X12CrNiWTi1613（wkv）612级动叶材料X22CrMoV121第1级叶根运行温度：528 C第2级叶根运行温度：510 C2.2.2 受损部位检查结果第1级在95片叶片中有一片从上部支持处半径范围到减重孔存在裂纹。在下部支持处无磨损性裂纹。第2级有一片叶片叶根处损坏。裂纹贯穿上部支持处进汽边到较低一个减重孔。损坏的叶片在下部支持处边缘的磨损性裂纹，其深度达0.4mm。95片叶片中有58片叶片从上部支持处半径范围到减重孔存在长度约1mm的裂纹。3. 受损情况评估下面以750MW汽机高压缸叶片的受损情况为例作出评估。中压缸叶片的受损情况评估的结果与高压缸叶片是相似的。3.1 金相学分析所拍摄的叶片半径范围（附录11）的裂纹起始点显微照片显示晶间缺陷， 并且在晶粒交界处有凹穴形成。 这种蠕变断裂破坏对于运行了74000小时的设备来说是不同寻常的。叶根边缘（附录12）的断层线条（slide lines）表明加工叶根时造成较大的变形，产生了较高的内部应力，由此进一步缩短了工作寿命。在上、下部支持处表面可见微振磨损。尤其是下部叶根处明显的微振磨损及受压点表明预先受到了损害。 结构检查发现在受破坏的支持表面边缘处的凹穴下有初裂纹，进而导致贯穿性裂纹。初始的微振磨损裂纹是由表面压力、刮磨和50Hz转动力造成的横晶振动裂纹。一般而言，裂纹沿转动方 向45以下分布，至大约0.1mm的深度。 裂纹深度越深， 所受表面压力就越小。启动和停机期间，裂纹在晶间扩大（类似低周疲劳）。除了微振磨损的证据很明显以外，附录13/14显示明显的凹穴，这种凹穴是受叶片后座的压力以及离心力的作用而形成的。 叶片表面下侧大片磨光的区域清楚地表明这些作用力一直持续到叶片改造时为止。3.2 缺陷形成的过程根据所发现的情况以及金相分析, 可假设有两种不同的缺陷形成过程,一种与材料(蠕变断裂)和设计(减重孔处的凹口应力),另一种与结构形状(微振磨损) 有关。3.2.1 材料运用有限元分析方法, 进行有减重孔和无减重孔两种情况下的应力计算,以便对蠕变断裂寿命进行量化。附录15有减重孔的计算结果显示，至上部支持段的过渡段半径范围内的凹口应力为300N/mm2。如果附录16中总的凹口应力值的设定额定温度条件为530C，则可达到的最小蠕变断裂寿命小时为40,000小时，蠕变缺陷大概也是出现在这个时候。如果凹口应力值定得较宽，则工作寿命可达350，000小时。这些结果说明随着时间的推移会发生脆化，从而在凹口处引起蠕变断裂，这是一些奥氏体钢材料所固有的问题，而且广为人知。根据在户内进行的长时间蠕变断裂试验结果，我们知道奥氏体钢材料X12CrNiWTi1613的一些熔化物，在500C650C的温度范围内经过一段时间会引起凹口处的脆化，由此降低了材料的张驰能力。这一现象尤其会在高热-冷固化（或高蠕变强度）的情况下发生。温度在520C时获得值的比较（蠕变断裂最小值）表明凹口脆化的材料奥氏体特性明显变小（附录17）。由于脆化在凹口处引起蠕变断裂的影响同样是很明显的，因为开裂叶片比其他叶片的硬度大，而且其他叶片只是在颈部截面处有小的初裂纹。化学成分和物理特性值全部符合规范。检查结果显示由于横截面处长期受到凹口脆化引起的高应力作用，造成蠕变断裂破坏。3.2.2 叶片设计附录8中源自叶根支持处并延伸至贯穿性裂纹的这种缺陷对于带调节级叶轮的汽轮机而言是比较常见的。八十年代所作的研究表明那时的叶片设计，基于当时的技术，只考虑了叶片在工作寿命期间耐受离心力和动态蒸汽力的影响，其实叶片还受到其他负载力的影响，尤其是启动期间以及气轮机负荷变化引起蒸汽温度变化而产生的应力。不带调节级叶轮的汽机中该种类型的裂纹缺陷是在本报告中这台750MW高压缸上首次发现的。附录18中的其他应力有：因汽缸中蒸汽温度变化引起热膨胀而在大轴支持肩和棕树形叶片之间产生相对轴向位移。上部大轴支持肩朝棕树形叶片方向发生转动，造成局部表面压力较高。大轴由于自身的重量和转动造成弯曲，引起大轴支持肩和棕树形叶片之间的相对轴向运动。（不理解原文意思，未译）由于受到瞬间温度变化的影响，而且材料的膨胀系数不同，引起转子和叶根的径向差胀，造成离心力在两对叶片间分布不均匀。附录19显示了径向差胀对负载分布的影响，60%的负载分布在上部，40%分布在下部。使用有限元计算方法所作广泛研究得出的结果显示，在瞬间运行期间至少在短时间内同时施加上述负载，则叶根所受局部表面压力值接近材料的屈服点。 由于启动及停机期间小的微振磨损疲劳初裂纹的低周疲劳，受压表面的相对位移可扩展到晶体间。所提到的负载情况是不可避免的，因为他们与汽轮机的运行有关。为了减少对叶片寿命的影响，叶根的几何形状被改进为H形，这样就可较为安全的承受额外的负载。由此，自1985年以来，高、中压缸的叶根一般被设计为倒T形。附录20将倒T形叶根与棕树形叶根比较，以显示其优势：只有一对锯齿叶片，负载分布清楚。顶部支持锯齿叶片远离大轴表面，因此受额外瞬间负载的影响就较小。在叶片锯齿的支持表面上开一个凹口。该凹口使裂纹开始形成区域的局部最大应力得以明显减少（附录21.1、21.2）。安装叶片时采用较软的支座。新近引入的这种叶片较软支座大大地减少了汽机启动期间施加在叶根上的压力。 在此以前，支座的材料是弹簧钢板。 支座与叶片表面的整个下侧接触，这样就会在启动运行期间因快速暖机，使叶片受到较大应力。 用两条办法可以大大减少这一压力。叶根的下侧作为支持表面，只有两片薄薄的齿刃。 在防结垢钢板条和转子叶槽底部之间放两层粘胶带，运行期间粘胶带就会熔化，形成空隙。在叶根支座上所实施的改进，是以多年的带调节级汽轮机的实际运行经验为基础的。4.措施1996年发现首例叶片损坏后,即对荷兰和德国的所有相关的ABB汽轮机进行了裂纹风险评估(蠕变断裂及微振磨损)。世界其他地方的设备也将相继得到检查和改进。蠕变断裂应力引起的裂纹风险评估包括以下因素：叶根最窄截面的凹口应力大小。Wk变形量大的奥氏体材料。减重孔引起的截面减少和凹口压力。微振磨损引起的裂纹风险评估包括以下因素：启动周期数。带调节级的情况下负荷变化引起的热应力。叶片支座和凹口。4.1 蠕变断裂应力引起的处裂纹风险评估根据计算出的凹口应力，并考虑脆化可能引起的蠕变断裂，可建立蠕变断裂寿命与运行寿命之间的对应关系。建议：如果得出高风险的评估结论，则应在下一次大修期间更换有问题的那一排叶片。根据所受应力和温度，受影响的动叶片有23排。4.2 微振磨损引起的初裂纹评估在评估启动和负荷变化期间与支座等级有关的微振磨损和热相对位移的可能性时, 未见其与周波数有何精确联系，由于材料受到破坏，表面强度因而受到影响。建议：风险高的头两级叶片应在下次大修期间拆下，进行叶片棕树形处的裂纹试验。发现有初裂纹，则应扩大叶片的检查范围。检查叶片时受损的叶片必须予以更换。头23级动叶宜更换倒T形叶根。新的叶片均为预扭安装，这样叶裙就可互为支撑，避免了中联门阀门安全试验时负荷受到限制。为了谨慎起见，可以拆下下几级的动叶，检查裂纹。如果未发现裂纹，应在老的叶片上进行改进，开一个凹口，并重新安装在较软支座上。附录22显示了老的叶片和改装了倒T形叶根的新叶片在设计上的比较。4.3 在其他电厂的发现在出现初裂纹的风险高的电厂,仅发现一处因蠕变断裂造成此类裂纹，裂纹从上部支持处一直到高压缸第一级动叶减重孔的半径范围内。除此之外，未发现其它因蠕变断裂引起的初裂纹。高、中压缸的13级叶根下部支持处有几处发现微振磨损初裂纹。4.4 所实施的改进附录23列出了迄今为止所实施的改进。5.结论对1996年一个高压缸叶片事故和1997年一个中压缸叶片事故所作调查后得出的结论认为蠕变