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俄羅斯汽輪機低壓轉子葉輪葉根槽裂紋原因分析

  • 來源: 大唐華中電力試驗研究院
  • 作者: 宋利
  • 發布時間: 2018-08-13

0 引言

我國在上世紀末先后投產了一批俄羅斯烏拉爾汽輪機廠生產的帶工業抽汽及采暖供熱的雙抽汽輪機組,汽輪機型號為∏T-140/165-130/15-2,此類機組在運行到2015年3月以后,先后發現低壓轉子葉輪葉根槽部位存在裂紋甚至發生斷裂等問題。北京某熱電廠此類機組在2015年3月13日發生了低壓轉子葉輪葉根槽部位斷裂情況,導致汽輪機劇烈振動,并在在軸瓦處發生氫氣爆炸,引起火災。洛陽某熱電廠、蘭州某熱電廠各2臺同型號汽輪機在2015年10月的檢修中均發現低壓轉子葉輪葉根槽存在裂紋的情況。

本文對洛陽某熱電廠低壓轉子葉輪葉根槽部位進行了系列性能試驗及研究,分析裂紋原因,以確定裂紋類型,為同類型機組事故預防及其改造提供可靠依據。

1 試驗材料

本文試驗材料取自洛陽某熱電廠1號機低壓轉子第19、20級葉輪葉根槽(此2級葉輪葉根槽在超聲相控陣檢查時發現有缺陷反射信號),第19級葉輪為整體鍛造,材料為25Cr2NiMoV ;20級葉輪為套裝結構,材料為34CrNi1Mo。該汽輪機組為1999年5月投產,至發現裂紋缺陷累計運行時間約12萬小時,期間共經歷啟停次數29次。

2 試驗結果及分析

2.1 裂紋宏觀分析

分別在低壓轉子第19、20級葉輪葉根槽部位取樣,葉輪葉根槽形貌如圖1(a)、圖2(a)所示。使用XPZ體視顯微鏡分別對第19、20級葉輪葉根槽端角部位進行宏觀觀察。宏觀檢驗結果如圖1(b)、圖2(b)所示。

由圖1(b)知,第19級葉輪葉根槽部位存在多處裂紋缺陷,裂紋起源于內角表面,并不斷向里擴展;裂紋開口較寬,并表現為粗壯特征;裂紋在擴展過程中基本呈直線擴展,偶爾處有分叉,裂紋尖端較為圓潤。

 

圖1 第19級葉輪葉根槽形貌及裂紋缺陷圖

(a)葉輪葉根槽形貌  (b)裂紋缺陷 

由圖2(b)知,第20級葉輪葉根槽裂紋有如下特點:葉根槽部位僅存在1處裂紋源,裂紋起源于內角表面,在擴展過程中裂紋呈曲折擴展;裂紋形貌有較多分支,呈樹枝狀,裂紋細小且尖端處較為尖銳。 

圖2 第20級葉輪葉根槽裂紋宏觀形貌及擴展形貌

(a)裂紋宏觀形貌    (b)裂紋擴展形貌

第19級葉輪葉根槽加工工藝粗糙,端角內R角很小;第20級葉輪葉根槽不僅加工工藝粗糙,而且表面有明顯的腐蝕坑,見圖3。

 

圖3 第19、20級葉輪槽加工形貌及表面腐蝕情況

(a)19級葉輪槽加工形貌    (b)20級葉輪槽腐蝕坑

2.2 光譜分析

使用尼通XL3t980合金分析儀進行合金成分的分析,第19級、第20級葉根槽材料的光譜分析結果見表1。25Cr2NiMoV合金成分評定參考《火力發電廠金屬材料手冊》[1],34CrNi1Mo合金成分評定參考JB/T1267-2002《50MW~200MW汽輪發電機轉子鍛件技術條件》[2],標準范圍如表2所示,光譜檢驗結果符合標準要求。

表1 第19級、第20級葉輪葉根槽光譜分析結果(wt%)

 

表2  25Cr2NiMoV、34CrNi1Mo化學成分(wt%)

 

2.3 室溫拉伸試驗

使用UTM5305HA型電子萬能試驗機對第19級、第20級葉輪葉根槽進行室溫拉伸試驗,試驗結果見表3。25Cr2NiMoV室溫拉伸試驗結果評定參考《火力發電廠金屬材料手冊》[1],34CrNi1Mo室溫拉伸試驗結果評定參考JB/T1267-2002《50MW~200MW汽輪發電機轉子鍛件技術條件》[2]。第19級、第20級葉輪葉根槽抗拉強度及斷后伸長率均符合標準要求。

表3 室溫拉伸性能檢驗結果

 

2.4 沖擊性能試驗

對第19級、第20級葉輪葉根槽部位材質進行沖擊性能試驗,沖擊試驗儀器為PTM2302-D型擺錘沖擊試驗機,試驗結果見表4。25Cr2NiMoV沖擊試驗結果評定參考《火力發電廠金屬材料手冊》[1],34CrNi1Mo沖擊試驗結果評定參考JB/T1267-2002《50MW~200MW汽輪發電機轉子鍛件技術條件》[2]。第19級、第20級沖擊韌性均符合標準要求。

表4 沖擊性能檢驗結果(AKU

 

2.5 顯微組織分析

使用蔡司Axio Obersver 3m顯微鏡對第19、20級葉輪葉根槽進行金相組織分析,第19級金相組織照片如圖4所示,其組織為回火索氏體,顯微組織未見異常。裂紋形貌特征與體視顯微鏡分析結果相同。第20級金相組織照片如圖5所示,其組織為回火索氏體,顯微組織未見異常。裂紋在內R角區域呈單發特征裂紋曲折,為沿晶形裂紋,裂紋尖端尖銳。裂紋在三叉晶界處局部有腐蝕坑。

 

圖4 第19級葉輪葉根槽倒角附近金相組織及葉輪葉根槽內R角裂紋形貌

(a)倒角附近金相組織    (b) 內R角裂紋形貌

 

圖5 第20級葉輪葉根槽倒角附近金相組織及葉輪葉根槽內R角裂紋形貌

(a)倒角附近金相組織    (b)、(c)、(d) 內R角裂紋形貌

3 原因分析

(1)加工工藝不規范,表面粗糙度較大,葉輪葉根槽內R角偏小,這些因素導致內R角處應力高度集中[3]

(2)低壓轉子的末幾級工作處于濕蒸汽區,發電機組的水處理很難完全消除腐蝕介質,在干、濕蒸汽交替的位置腐蝕介質濃度更高;另外葉片葉根裝在葉根槽里在幾何上形成了窄縫空間,濕蒸汽中的水分表面張力小,腐蝕介質很容易滲透到葉根槽的縫隙中去,因此葉根槽是最容易發生腐蝕的部位。低壓轉子的葉輪在選材上應考慮應力腐蝕、腐蝕疲勞的問題[4]

(3)從對第19級葉根槽的檢驗結果看,第19級的葉根槽裂紋屬于腐蝕疲勞。金屬材料在腐蝕介質的作用下形成一層覆蓋層,在交變應力作用下覆蓋層破裂,局部發生化學浸蝕形成腐蝕坑,交變應力作用下產生應力集中進而形成裂紋。腐蝕疲勞的影響因素:循環載荷的交變幅度增大,腐蝕速度也隨之增大。溫度明顯加快腐蝕速度。當PH<4、PH>12時,降低腐蝕疲勞性能,壽命降低。

(4)從對第20級葉根槽的檢驗結果看,第20級的葉根槽裂紋屬于應力腐蝕。裂紋走向曲折,裂紋為沿晶裂紋,裂紋在三叉晶界處有腐蝕坑,這些都符合應力腐蝕裂紋的特征。發生應力腐蝕的三個條件:特定的腐蝕介質、拉應力、材料的成分和組織狀態。首先腐蝕介質是特定的,這種腐蝕介質一般都很弱,如果沒有拉應力的同時作用,材料在這種介質中腐蝕速度很慢。也就是說,每種材料只對某些介質敏感,而這種介質對其它材料可能沒有明顯作用。拉應力是發生應力腐蝕的必要條件,應力值越大,應力腐蝕越嚴重[5]

5 結論及建議

造成第19級、第20級葉輪葉根槽處出現裂紋的原因是:由于葉輪葉根槽內角加工的不規范,在使用時有較大的應力集中,葉根槽在使用中有腐蝕介質存在,第19級在葉根槽內角處出現腐蝕疲勞裂紋;第20級葉輪葉根槽材料在特定的腐蝕介質中長期使用而出現了應力腐蝕現象,出現應力腐蝕裂紋。

    基于以上分析給出如下建議:

(1)兩種裂紋形式都與腐蝕有關,也與內角的加工不規范有關,所以應加強對葉輪葉根槽內角的探傷檢查。

(2)因為目前所使用的探傷方法只能檢測到擴展到一定程度的裂紋,對微小裂紋難以發現,應增加探傷的頻次。

(3)應很好地控制水質,對控制裂紋的發展起到抑制作用。

(4)在改造時應提高材料等級,增加葉輪材料抵抗的應力腐蝕、腐蝕疲勞的能力。

 

參考文獻

[1] 姜求志, 王金瑞. 火力發電廠金屬材料手冊[D]. 中國電力出版社, 2000.

[2] 中華人民共和國機械行業標準JB/T1267-2002 50MW~200MW汽輪發電機轉子鍛件技術條件[S].

[3] 葛春新. 1000MW汽輪機低壓轉子輪槽加工表面質量與工藝研究[D]. 上海交通大學, 2007.

[4] 焦廣臣. 核電汽輪機低壓轉子葉根槽應力腐蝕與安全性評估[D]. 上海交通大學, 2015.

[5] 潘東煦. 汽輪機低壓轉子材料力學性能及其相變塑性的研究[D]. 上海交通大學, 2011.

 



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