浅谈低压转子裂纹缺陷修复

1、浅谈低压转子裂纹缺陷修复摘要：本文分析了低压转子裂纹缺陷的检查方法及结果, 对低压转子裂纹修复及改造方案进行了探讨。关键词：低压转子；应力腐蚀裂纹；修复中图分类号：tk26文献标识码：b1概述金属部件在应力和特定的腐蚀性介质共同作用下，被腐 蚀并导致脆性破裂的现象，被称为应力腐蚀破裂。超临界机 组应力腐蚀主要发生在2crl3钢制低压叶片上，其断口形貌 呈颗粒状，微观形态是晶界裂纹，断面上有滑移台阶，并有 细小腐蚀坑。该腐蚀的应力是由于汽轮机高速转动产生的离 心拉应力和叶片的载荷所致。汽轮机由于在开停机过程中， 离心应力会发生变化，在极低的应力情况下也可能发生应 力腐蚀破坏。某电厂3号机组为超临

2、界汽轮发电机组，主、再热汽温 度537.81。在大修检查中发现两个低压转子存在着应力腐 蚀裂纹，低压b转子的第2级部分围带，已经外移接触到了 静止隔板，给机组的安全运行造成了威胁。2检查方法及结果在3号机组大修中，对低压转子进行了无损探伤检查 (nde),在第2级和第3级叶轮轮缘的楔形樺部位采用超声 波（ut）探伤。检查结果多项指标表明两个低压转子存在着 应力腐蚀裂纹。虽然探伤范围只限于第2级和第3级，但低 压转子各级都存在着不同范围和程度裂纹见图lo另一个较 严重的问题是：低压b转子的第2级部分围带，已经外移接 触到了静止隔板。在低压汽轮机中，干-湿相变区域是典型应力腐蚀开裂 区域。正常运行

3、中，第2级湿度极小，该级楔形禅的应力腐 蚀开裂趋势有限。同时该厂还采用磁粉探伤（mt）复查裂纹的深度和长度。 为证实低压b转子的ut检查结果，拆卸了转子锁口叶片， 以确定裂纹的位置和范围。打磨后发现第2级叶轮靠近锁口 的中部棱边和顶部棱边裂纹在圆周上成一线分布。在低压b转子第3级靠近锁口处中部和顶部棱边，对探 伤指标第8和第10项的位置进行彻底打磨后，应力腐蚀裂 纹清晰可见。对低压a转子第3级也进行ut探伤，在第3级底部棱 边出现的问题最严重。经打磨后mt探伤显示，裂纹最大深 度为 1.42cm,长 6.35cm。3修复方案对两个转子楔形禅的应力腐蚀裂纹，从短期和长期上考 虑，修复方案如下：a

4、. 不处理。b. 将锁口叶片直接用销子连结到叶轮上，以减少锁口裂 纹区域的荷载。c. 采用钛合金叶片降低载荷。钛合金重量比普通钢轻 43%,更换叶片会引起转子的质量不平衡，但却可以减少载 荷。为选择方案，采集了详细的楔形禅的断面几何数据，并 构建了第3级楔形樺有限元模型，也是楔形樺裂纹轨迹法向 计算应力，见图2。当额定转速1800r/min时，远离锁口处 的应力分布垂直于裂纹平面。该图也可作为叶根有限元模 型，类似在顶部，中部和底部棱边位置，叶片到叶轮的负荷 转移，但两者之间处于无间隙或微小间隙。由图2可见，裂 纹的法向应力与裂纹的深度存在着一定的关系。在修复中，首先评估了该转子的残余寿命。评

5、估的第一 步是估算该级运行工况的温度和湿度。湿度是先决条件，除 启、停机变工况情况外，应力腐蚀裂纹不会发生在稳定工况 下的过热蒸汽状态。当楔形禅处于满负荷时，运行中的湿度 就很容易使其产生应力腐蚀开裂。然而，与预测的第2级入口处于干饱和蒸汽不同，低压 3级并没有在运行期间处于湿态，这正好说明了第2级楔形 樺的大量应力腐蚀裂纹和第3级锁口区域的裂纹较轻。采用 软件模拟第3级楔形樺上每年1750h的运行时间，估算了三 种修复方案的未来故障累计概率。a不处理方案。会导致锁口叶片在运行1年后故障概率 非常高。b.将锁口叶片直接用销子连结到叶轮上的方案。可以保 证5年以上的运行时间内故障几率低于1%oc

6、选择用钛合金叶片代替锁口叶片组的方案。可以保证10年以上故障率低于0. 01%o根据以上故障概率统计分析，决定采用方案3。4改造方法为减少修理费用和修复时间，决定不改动叶轮上的其他 叶片。但由于新、旧材质密度不同，较轻的叶片可能在轮盘 上产生较大的质量不平衡，从而影响转子的振动。单根转子 两个第3级楔形相位差正好180。，转动时会产生不平衡力 矩，因此需要进行动平衡处理。而每根转子的两个第3级都 改成钛合金叶片，也会使轮盘上总的不平衡量成倍增加。现 有可添加平衡质量的平面低压1级和低压4级，不足以加平 衡质量。为抵消钛合金叶片的质量减少引起的不平衡，在每 轮盘5点和7点位置去掉了两块叶片。去掉

7、了叶片需要对叶 片组及围带进行评测，以判断叶片自身频率是否发生了改 变。在低压a转子两个轮盘还存在着拉筋的问题，也需要随 着叶片一同进行调整。由于去掉的两块叶片不能精确平衡钛 合金叶片组的质量减少，因此每个转子在组装前先进行低速 动平衡以减少残余不平衡量。两个转子允许的振动值必须保 证通过临界转速和正常运行的工作转速。因为根部更高的应力和蒸汽中更高的含水量，第2级比 第3级更容易产生腐蚀应力裂纹。第2级叶轮楔形禅裂纹较 大，需重新设计叶片，改变叶轮的楔形樺结构，同时采用钛 合金叶片以减应力。为控制振动，对第2级叶片重新进行频 率测试和优化调频。第2级的修复需要在原轮盘上重新加工 楔形桦。首先拆

8、卸下所有的叶片，打磨掉最深裂纹至裂纹根 部，堆焊修复裂纹，然后重新加工。在第2级采用了长颈叶 片，并在楔形樺径向几何尺寸进行改进，从而减小峰值应力, 其目的在于：补偿长叶片改动造成的附加重量；减少几何尺 寸结构造成的应力集中。这一改进可以降低峰值应力10%到15%o转子另一侧也采用与第2级相同长颈叶片设计。为安装长颈叶片，在转子直径方向进行车削，减小转子直径，并加 工新的加工楔形扌隼。同时设计的新叶片的自身频率远离运行 转速。因为叶根部位发生了改变，所以需要考虑进行调频。 通常在设计过程中，应考虑叶型比例，围带结构，缩放长度, 叶片数量等参数。另一个设计的特点是采用上下双层围带链 连接，取代了原有围带的双重设计。下部围带在组装时橈头 部位留有间隙，上部围带则与楔头的上部紧密连接。这种结 构增大了叶片振动阻尼，极大减轻振动，能抑制蒸汽流道激 振引起的几种基本类型振动，并提高振动的安全度。以往经验表明应力腐蚀裂纹通常首先发生锁口位置。为 避免修复后应力腐蚀裂纹的再次发生，采用了 5块钛合金叶 片。由于钛合金叶片密度减少了 43%,因而减少了叶轮的离 心负荷。最后的修复工作还增加了转子现场低速动平衡，以