某超临界空冷机组中压末级叶片失效分析

2014-07-01刘长春张小武王梅英

机械工程师 2014年5期

关键词：中压末级源区

刘长春，张小武，王梅英

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

某超临界空冷机组中压末级叶片失效分析

刘长春，张小武，王梅英

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

对某超临界空冷机组中压末级叶片断裂故障现场和运行记录进行调查分析，对断裂叶片的材料和断口进行了理化检验和实验分析，采用三维有限元方法对叶片的静应力进行了精确的计算，并综合分析了叶片断裂的故障原因。

叶片；断裂；分析

0 引言

CLNZK660-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、单轴、直接空冷凝汽式汽轮机于2011年6月正式投入运行，2011年8月3日现场检查中发现中压叶片正向第6级有1片叶片断裂，断面距根部约30 mm，中压2#隔板套的第6级导叶片整圈中有2个位置出现损坏情况。

图1 断裂叶片照片

图2 叶片宏观断口照片

1 分析

1.1 主要技术规范

该级叶片是将超临界600MW中压末级叶片放大1.1倍并转大安装角度得到的，叶高在超临界的基础上增加 11.2 mm。叶片根顶宽度为84.4/66.8 mm，叶片数为66只，平均直径1 395.2 mm，轮缘宽度118.5 mm，叶根为三齿枞树型，叶片工作温度为 381.9℃，叶片材料为2Cr12NiMo1W1V。

1.2 断口概况和分析

图3 叶片源区附近放大照片

断裂叶片照片如图1，叶片宏观断口如图2所示，断面严重氧化，呈暗黑色，进汽边一侧有大约6 mm×1.5 mm的小平面，较为粗糙，有氧化腐蚀痕迹，裂纹扩展区—前区可见起始于小凹面的放射状花样，扩展区较为平坦，占整个断面的2/3，从断面颜色来看，裂纹扩展区的氧化程度略轻于进汽边边缘的小凹面。瞬断区较为粗糙，和扩展区断面呈斜75°，有磕碰的痕迹。

用扫描电镜对叶片断面进行观察，裂纹源区、扩展区和瞬断区的微观形貌如图4～图6所示，整个断面氧化严重，完全被氧化产物覆盖。裂纹源区的边缘未见深的加工刀痕，通过能谱分析裂纹源区和扩展区，发现裂纹源区的氧化产物中有Cl、Na和S等腐蚀性元素。但在裂纹扩展区的氧化产物中没有 Cl、Na和S等腐蚀性元素。

1.3 化学成分分析

叶片钢的化学成分（质量分数）分析结果见表1，由表1可见，叶片钢的化学成分都符合B/HJ419-2006中对2Cr12NiMo1W1V钢的技术要求。

1.4 力学性能

叶片的常温力学性能试验结果见表2，由表2可见，叶片钢的力学性能都符合 B/HJ419-2006中对2Cr12NiMo1W1V钢的技术要求。

图4 裂纹源区微观断口形貌

图5 扩展区微观断口形貌

图6 瞬断区微观断口形貌

表12 Cr12NiMo1W1V钢的化学成分质量分数 %

表22 Cr12NiMo1W1V钢力学性能

1.5 金相分析

分别在 3支叶片上取样制备金相样品，叶片的金相照片如图7所示，金相分析结果见表3，表3所示3支叶片的晶粒度不符合 B/ HJ419-2006中对2Cr12NiMo1W1V钢的技术要求。

表3 金相分析结果

图7 叶片金相组织照片×100

1.6 叶片的强度分析

1）根据文献［1］中给出的动叶片静强度，我们计算出该级的静应力如表 4所示。

表4 叶片强度计算汇总

2）有限元分析见图8～图11及表5。

图8 叶片实体

图9 叶片网格

图10 叶片部分应力

图11 叶根背弧侧应力

表5 叶片叶根处最大应力及位置

2 分析与讨论

从叶片断口的宏观形貌来看，叶片断面上进汽边一侧尺寸为 6 mm×1.5 mm的裂纹源区氧化色是断面上最重的区域，能谱分析结果显示该区域断面腐蚀也较为严重。一般裂纹源区都较为平整、光洁，有自起裂点的放射状花样，但叶片断面上的裂纹源区较为粗糙，放射状花样不是起始于裂纹源区外侧的叶片表面，而是起始于裂纹源区内侧的边缘，由此推断叶片断裂的裂纹源是运行前就存在的原始裂纹。叶片材质的晶粒略粗，强度指标偏高，增加了叶片的缺口敏感性，叶片断裂位置是动应力较大的区域，叶片在工作应力的循环作用下原始裂纹逐渐扩展，达到临界裂纹尺寸后突然断裂。叶片断裂的性质为疲劳断裂。