低压汽轮机叶片失效调查-武汉理工大学

低压汽轮机叶片失效调查摘要本文介绍了210兆瓦火电厂的低压涡轮叶片失效分析。叶片的材料是12铬钢，回火马氏体组织。微观结构分析以及硬度和拉伸试验没有显示任何的组织和力学性能方面的退化。在钎焊操作不当而形成的钎焊接头中，可观察到物理不连续性。低压汽轮机叶片在服役期间，由于不正确的钎焊操作和腐蚀的影响，会在叶片和拉筋之间的钎焊接头处产生断裂失效。断口的证据表明，裂缝是从叶片上表面，与拉筋界面上各点开始的。在叶片上观察到辉纹和沙点痕迹，表明其上面有高循环荷载作用。从工厂获得的高频数据表明，在操作过程中由于电网频率波动有可能产生过度的振动。因此，共振条件下的振动，会促进较早产生的裂纹扩展，这使得过度振动进一步恶化。关键词：火电厂，涡轮叶片失效，振动，疲劳。1.简介汽轮机叶片是电厂的关键组件，它将从压力梯度流下来的高温和高压流体的直线运动转换成涡轮轴的旋转运动。蒸汽从锅炉进入涡轮，穿过如高压（HP），中压（IP）和低压（LP）区域等不同阶段。统计表明，与高压和中压区涡轮叶片相比，低压涡轮叶片通常更容易断裂失效。许多种机器的损坏都是由低压涡轮叶片失效而引起的。几乎50的断裂失效是和疲劳、应力腐蚀开裂及腐蚀疲劳相关的。蒸汽的非对称流产生的弯曲应力的波动引起涡轮叶片振动，结果产生疲劳失效。一旦裂缝开始了，组件就被视为失效，因为裂缝的增长速度很快。即使是疲劳失效也能因腐蚀而积累。蠕变损伤对LP叶片并不重要。据报道，失效是从叶片的许多部位开始的，这些失效26在护罩，20在拉筋孔，40在冀型区域，14在叶片附件上。因此，在叶片的不同长度上失效的机制也各不相同。一般，蒸汽轮机的低压涡轮叶片的设计寿命为30年，但是在使用过程中会遇到许多叶片过早失效的情况。一项最近的调查表明，约40%的失效的原因还不能确定。为减少失效的发生，有必要考虑所有的对叶片使用性能有重要作用的因素。因此，有必要了解叶片材料的冶炼过程、叶片的工作应力及工作环境。由于叶片的设计很复杂，所以实际的应力状态也十分复杂。然而，如果在服役期间没有偏离设计的条件，叶片上的应力状态应该不会引起任何关注。作用在叶片上的应力主要来源于叶片离心载荷和振动响应。通过（a）确保叶片的频率在一个狭窄的范围内从而避免共振（b）限制蒸汽弯曲应力，振动应力通常保持在低的水平。在特定阶段叶片总数被分成一些组。穿过内外拉筋孔的拉筋将每一组的叶片系在一起。在拉筋孔处把叶片和拉筋焊接在一起，每组的刚度能得到维持。在材料方面，将夹杂物和表面缺陷最小化，以减少疲劳破坏的趋势。关于环境方面，注意蒸汽干度，使腐蚀疲劳不发生。大量的投资用于设计出最好的涡轮，这种涡轮是由具有正确微观结构和力学性能的洁净钢制成。有些失效主要与不适当的保养和操作条件有关。由上述原因产生的失效的认知对防止失效很有作用，并且很大地提高了能源时代的经济效益。 在这篇论文中，提出了210兆瓦火电厂的低压涡轮叶片失效分析的结果。经过五年的调试，该装置首次被检修。在检修后的近两年中，该装置由于在运行过程中高水平的噪音及低压区的振动，而被迫停用。打开涡轮外壳，四个处在第29阶段的涡轮叶片发生断裂。在此次事故中，发生失效的阶段总共有120个叶片，它们被分成15组，每组8个。每一阶段是根据含叶片轮的位置而定义的，这个位置的计算是由从轴到汽轮发电机的低压区的分布而定的。在现在的该装置中，HP区和IP区分别含有11和12个阶段，然而，在LP区的8个阶段是从24到31阶段，在其中的第25和第29阶段，很容易因操作过程中的蒸汽流动而引起振动。启动的总数是325次（即46次冷启动和279次热启动）。涡轮机的操作频率大部分是50HZ，然而，在某一时期也会高于或低于这一水平。在5151.99HZ的频率范围内，操作的工期是1850小时，5252.4Hz的范围内工期是200小时。据指出，由于电网频率调节的一些问题，该装置在45.5Hz的频率下工作13秒，两天后就失效了。这篇论文的目标是分析失效的产生原因，即其是否由：（a）叶片材料缺陷，拉筋或钎焊接头缺陷；（b）不适当的焊接操作；（c）偏离规定的频率标准和/或水化学性质等因素的不恰当操作。2实验细节从装置中收集一部分含有裂缝的叶片，从工厂获得了未使用的钎焊材料和内外部的拉筋。用显微镜观察的样本材料是从叶片和拉筋上切下来的，再用标准的金相技术抛光，用硝酸酒精溶液浸蚀。用日本电子光学显微镜和JSM840A扫描电子显微镜（SEM）观察显微结构来确定材料的性质。用连接到扫描电子显微镜的X-射线（能谱）进行能量色散分析，来确定叶片、拉筋、钎焊接头的组成。在断口用扫描电镜分析断裂特征。安装好部分叶片和拉筋，用维氏压痕试验机加载10公斤负载并测试其硬度。用应变速率为10-3/秒的拉伸强度试验机做拉伸测试。用工作频率为50Hz的AMSLERVibrofore机器对单边缘缺口（沿叶片的宽度方向）试件（369.52.5毫米）进行3点弯曲变形再做高循环疲劳测试，从而模拟叶片上蒸汽压力产生的应力条件的影响。3结果3.1目视检查 打开涡轮箱盖，在内拉筋处有三片叶片发生断裂，在外拉筋处有一片叶片发生断裂。图1是叶片和内外拉筋孔但没有拉筋的组装图样。用箭头标明的内外拉筋干处即断裂的位置。和叶片连接的拉筋发生断裂，一些断裂的部分不能在机壳内确定。由于破坏的叶片及拉筋的影响，在许多叶片前缘和后缘处发生扭曲。在拉筋和拉筋孔之间的钎焊接头在许多地方是分离的。在连接到拉筋孔的钎焊材料中可以观察到孔、洞和其他物理不连续区域，在许多地方可看到很明显的钎焊接头脱粘。需要注意的是，在过去的检修周期中，通过无损检测技术如渗透试验发现，许多钎焊接头失效和存在缺陷。破碎和损坏的钎焊接头被拆除并进行焊接修复。叶片的颜色是黑色，表明不同厚度的四氧化三铁（磁铁矿）。图1 照片显示叶片的装配，拉筋已被除焊移除，箭头表示拉筋孔处裂纹萌生位置3.2化学分析 表格1中是由标准化学分析技术得出的材料的一种典型的化学分析。叶片和拉筋同是一种含0.2碳和12-14的铬钢（AIS1400不锈钢系列）。其他合金元素在1以内。钎焊电线含有银、铜、锌、镉，含量分别为65，15，10，10（wt）。3.3微观结构 叶片材料为回火马氏体组织（图2（a），而在内外拉筋中可观察到贝氏体组织（图2（b），这些都是通常可预见的微观结构。随机选定观测点，可观察同样重复的微观结构，表明显微结构的均匀性。因此，在这两种叶片或细带结构中没有发现微观结构退化的迹象。 图2 （a）叶片材料的回火马氏体组织图 （b）拉筋的贝氏体组织图3.4断口 低倍断口如图3所示。在拉筋-钎焊界面中，可观察到洞、不连续性区域和各种大小孔。图3中标记为A的这些不连续性区表明在钎焊操作中叶片表面的润湿不好。标示为B的小孔可能由于电偶腐蚀而产生。在微孔和孔洞的附近进行成分的EDX分析，发现在剩余钎焊材料中锌含量降低，而原来的钎焊材料虽然不含铁，却检测到了铁。该合金元素的元素再分配，主要是锌，表明有电偶腐蚀。与银、铜、铁相比，由于锌高电负性，以及钎焊材料处在湿蒸汽中，钎焊材料中的锌阳极溶解是可能的，并且湿蒸汽中存在的氨也可能促进钎焊材料的腐蚀。很明显，腐蚀降低了钎焊接头的强度，钎焊界面弱化，导致脱粘。图3 叶片断裂表面的低倍断口图，物理不连续区标记为A，孔洞标记为B图4（a）是叶片在较厚部分表面断口的高倍率图。裂纹起始点用X标注。图4（b）是X区的放大图。另一个裂纹起始点在Y“处（图4（c），表明叶片径向倾斜平面上存在多个裂纹起源位置，。由叶片和松动的拉筋之间的摩擦或低振幅碰撞冲击而产生的微动机制似乎是裂纹萌生的控制因素。因疲劳而扩展的裂纹阶段2，由辉纹和棘轮标记（图5（a）和（b）而确定。与超载有关的裂纹扩展的最后阶段已经鉴定出韧性特征的存在。该叶片的较薄断裂面（该拉筋孔另一边）表明：从内表面到外表面，从沿晶/准解理断裂向韧性断裂模式的转变。裂纹起始点在X（如图4（a）标示的Z）的斜对面角落里。虽然在断裂面没有擦痕，这可能被解释为在高应力强度幅和平均应力下的疲劳裂纹增长。在较薄部分（即平面应力状态）疲劳加载下的这些类型的特征已在文献报道5。它也可以推测，准解理特征的存在是由于在疲劳裂纹扩展时的叠加静态或稳定负载（在这种情况主要是离心式负载）。图6显示了晶间特征和4（a）图Z处的开裂。图7显示了钎焊接头-叶片界面的脱粘。图4 （a）光学显微镜下观测到的裂纹起源（用箭头标记）（b）图4（a）中“X”处的SEM形貌图 （c）图4（a）中“Y”处的SEM形貌图图5 （a）图4（c）中“C”标记处放大图 （b）（a）图放大显示疲劳条纹和棘轮标志。箭头指示裂纹扩展方向。图6 图4（a）中标记为”Z”处的断口形貌，显示晶间断裂的存在，箭头表示晶间裂纹图7 钎焊界面脱粘 P:叶片；Q：钎焊腐蚀部分3.5机械性能 各个区域的叶片和拉筋的硬度值分别为26510VPN（Rc26）和22510VPN（Rc20）。这些值在规定的范围内。从拉筋上拆下的钎焊接头的显微硬度测量值为150VPN，而钎焊丝的硬度值是200VPN。硬度降低表示操作时钎焊接头退化。从拉伸试验得到的应力/应变图表明，该钢具有良好的屈服强度（620兆帕），拉伸强度（800MPa）和断后伸长率（21），在规定范围内。拉伸试样断口压痕的存在证明材料是非脆性的。3.6高循环疲劳试验试验试样尺寸为369.52.5mm，缺口几何形状如下：深2mm，半径为0.25mm的V型缺口。一个试样加载0.7千牛静载荷和0.5千牛动载荷，而另一个试样加载0.5千牛静载荷和0.3千牛动载荷。最大的载荷（1.2千牛）等于该几何形状试样的屈服应力的一半。静载荷为0.7和动态负载为0.5千牛的试样在循环104次后检测到迅速失效，通过扫描电镜检查的断裂面并没有表现出任何辉纹或沙点标志（图8（a），在断裂面存在大量的二次裂纹，表明裂纹扩展处有大量的加工硬化，这与文献记载的疲劳破坏相一致。第二个试样直加载13105次，仍观察不到明显的裂缝。随即中断试验，荷载增加至0.6千牛静载荷和0.5千动载荷牛，试样循环加载2105次后观察到裂缝并且立刻失效。在远离缺口根大约是二毫米的断裂表面观察到疲劳辉纹（图8（b）。第二次测试得出结论：在最初加载时的累积损伤促进裂纹在短期内产生更高应力水平。模拟表示平均应力水平和交变应力幅值不同，可观察到不同类型的疲劳断裂特性。这与文献5，6报道的其他疲劳研究一致。图8 （a）试样1高周疲劳断口 （b）试样2高周疲劳断口（可观察到疲劳辉纹）4讨论4.1。钎焊材料的腐蚀机理 当银、铜、锌、镉钎料材料使用时，铁素体钢对界面腐蚀十分敏感。这种腐蚀的有利条件是：（一）焊接点成分必须是不锈钢，（二）钎焊合金必须容易受到腐蚀，（三）焊接点必须暴露在潮湿条件下。从低压区环境可知，拉筋、叶片、钎焊接头处明显满足这三个条件。钎焊材料中存在许多与去合金化相似的坑和微孔，这被扫描电镜-能谱观测所证实，并发现靠近拉筋孔的钎焊中锌有大量耗损，在靠近叶片钎焊界面的钎焊材料中检测到铬表明叶片中有铬损耗。尽管已知钢的部分区域钎焊去合金化的原腐蚀性，但造成这种界面腐蚀的具体机理仍然很难确定。在一些晶界裂缝处也有铬的损失，如图6所示。没有任何证据表明，应力腐蚀开裂是叶片失效的原因。观察到的界面类型腐蚀导致钎焊接头（图7）和拉筋脱落，导致微动疲劳裂纹萌生。4.2叶片应力模式稳定状态下作用于叶片上的应力为：（）离心应力（）弯曲应力。从文献中可以查得，典型的210MW机组，由蒸汽压力产生的弯曲应力为：叶片中央部分在8MPa以内，内、外拉筋孔附近在4MPa以内。由离心载荷产生的离心应力（c）可由以下公式计算：c=MV2Ar= 42MrNSAM质量，r叶片到旋转轴的半径，v表面速度，A横截面面积，Ns涡轮转速（rps）。在此，我们已经计算出叶片的叶跟点（r=0.5m）,中间点（r=0.75m）,内拉筋孔（r=0.8m）及外拉筋孔（r=0.95m）附近点的离心应力。叶片的几何形状是锥形，截面积从叶根指向叶尖是递减的。同样M也是从叶根到叶尖递减，然而其它的参数，V和R从叶根到叶尖是递增的。M估计跟部为2.5千克，中间为0.8千克，内拉筋孔是0.5千克，外拉筋孔是0.1千克。这些点处的近似截面积已经计算出分别是880,480，400,160和96mm2。由以上数据所计算的应力，不同的点在140至59MPa间，如图9所示。在内、外拉筋孔的应力，估计分别为100MPa和60MPa。考虑到当钎焊接头断裂时，在这些点的集中应力可用这些点处平均值的三倍计算，分别增长到300MPa和180MPa。这些值可以作为上界估计，并推断孔洞可以扮演强大压力和潜在裂缝起因的角色。运行过程中内拉筋孔附近的点因为50HZ5HZ的偏离（可被视为最大的变化）造成的应力变化可以通过下面的公式计算： 2NSNS计算得出的值为20MPa。这是一个经过时间积累得到的经验公式，这些应力值并没有受到严格的应力分析计算，可被视为简化计算得到，有助于了解叶片的压力方式。如此低的应力值，这些材料在正常的情况下将不会容易折断，除非腐蚀或其他原因成为主要控制因素。不过，应当注意的是20 MPa的一个波动由于离心荷载将导致一个周期内负载循环产生。因此，叶片将经历一个不规则或随机应力循环。腐蚀的影响并没有出现在叶片的断裂面上，而是在叶片薄的地区。对于高周疲劳破坏，如这里的情况，最大应力水平可以很低，远低于屈服强度的水平。在本案中，循环加载可以发挥作用，因为钎焊接头在许多地方使叶片成为悬臂梁，负载的波动影响弯曲应力和离心应力以及谐振振动产生复杂的交互作用力或振动应力。这种振动应力导致拉筋之间的松动，造成疲劳花边叶片损害。因此，接触点裂纹萌生变得更容易，并通过高周疲劳循环机制扩展。图9 低压叶片在50Hz频率下的离心应力模式4.2.1疲劳行为使用最广泛的描述裂纹扩展速率的疲劳裂纹生长规律是Paris方程： dadN=A(K) m （3）其中A和M是材料常数，k是应力强度因子范围，即Kmax-KminKmax为循环加载过程中，最大负载对应的最大应力强度因子，Kmin为最小的应力强度因子。K在力学中近似认为等于(a)，这里是实际应力，a是裂纹长度。裂纹生长行为由平均应力和交变应力控制。如果平均应力高，那么阶段一和三的裂纹扩展速率要比阶段二高。事实上，由于静态模式断裂,沿晶断裂、准解理断裂、韧窝在疲劳载荷作用下也能在断裂表面上看到。在目前的实验中，已经在叶片的较厚的部分看到辉纹；在薄的地方，一些现象如沿晶断裂、准解理断裂和韧窝已经被发现。实验室模拟的疲劳实验也发现前面讨论的在不同加载条件下的辉纹的存在。疲劳生长之后最终失效的原因是剪切超载向裂纹扩展方向发展(如图10所示)。图10 裂纹扩展示意图4.3汽轮机转速和电网频率汽轮机总成是在一个固定的工频或过频运行的情况下，在一定的功率线频率下运行的。如果一个电厂运行在负载需求的模式，启动和停止周期循环会对涡轮部件（动态或静态组件）产生循环热应力，这通常是塑性应变导致疲劳或者低周疲劳。与此相反，如果电网频率变化在设计极限以内，高周循环疲劳载荷发生在旋转组件。在这种情况下，共振也可以在叶片的某些疲劳问题中发生。谐振振动可以通过系统的固有频率和激发频率的关系进行证明。在电网频率和汽轮发电机组的速度间有一个关系，表达式如下：f=pn/120 （4）这里f是频率（HZ），p是常数（在目前的汽轮发电机设计中是2），N是汽轮机和汽轮发电机的转速(rpm)。从（4）可以知道，如果N以rpm为单位并且p等于2那么f就是汽轮机的速度。这种关系能有助于了解涡轮速度与电网频率的关系。由于级数恒定，频率变化就控制涡轮速度的变化。当输入功率和输出功率维持在平衡状态时，电网频率会维持在50HZ。系统的任何变化会影响频率，从而影响机器的速度。 使用绍斯韦尔的定理,从以下关系式我们可以计算出叶片的固有频率作为小振动的基本模式： fnd 2 = fns2+ f = fns2+ Ns2 (5)其中fnd为叶片的自然频率；fns为叶片在静态条件下测试的自然频率（工厂在160-170HZ条件下测试得到的数据）；fw为当以转速Ns（rps）旋转时叶片的激振频率。自然和激振频率可以被绘制在坎贝尔图上，来了解操作过程中共振的可能性。从上面的方程可以发现，操作电网频率在50NZ时，在