汽轮机调节级动叶叶根产生裂纹的原因调查

王广坤

1 故障背景

某台亚临界汽轮机在进行解体检修时，发现调节级第一级动叶叶根存在不同程度的裂纹。该调节级于3年前因长期运行发生微粒腐蚀、磨损而更换，并由原设备制造商按原设计进行制造，制造厂派员进行了现场更换。同时，未更换的第二级动叶于上次检查没有大的变化。发现上述问题后，我们及时与制造厂联系，以查明动叶叶根产生裂纹的原因和需要采取的预防措施。本文抽取有代表性的57、58、59、88、89、90共6片叶片进行原因分析，其中第59、90叶片为完好叶片。

2 原因调查

2.1 裂纹的分布

调节级动叶采用冲动式设计，焓降大，以适应系统冲击负荷的要求。调节级第一级动叶为枞树叶根、调频叶片，整级共16组，每组5片。叶根断口为典型的脆性断口，断口表面光滑，无明显的疲劳条纹。从叶根裂纹分布情况来看，裂纹分布在各个叶片组的不同顺序的叶片中，同时产生裂纹的叶片，其裂纹分布在叶片凸面或凹面第一或第二叶根上。从这种裂纹不规律分布现象来看，可以排除裂纹是因为叶片的共振而产生的。裂纹的分布图如图1。

图1 调节级叶根裂纹分布

2.2 磁粉探伤检查

对调节级第一级动叶叶根及叶根槽采用磁粉进行无损检查，除已目视发现的裂纹以外，没有发现其它新增裂纹。

2.3 裂纹断面观察

对裂纹断面进行目视检查，裂纹表面氧化皮的厚度几乎与叶片表面的氧化皮厚度完全相同，裂纹上氧化皮的厚度基本在0.4 mm左右。根据工作蒸汽的温度（538℃）进行推测，该氧化皮的厚度生成需要3年的时间，由此可以推出叶片的裂纹发生在叶片更换后，投入运行不久。

2.4 化学成分分析

对调节级叶片取样进行化学分析，数据见表1，完全满足材料化学成分规范的要求，并与出厂化学成分相差无几。

2.5 硬度检查

对有裂纹的57、88号叶根以及无裂纹的59号叶根进行硬度检测，其维氏硬度在329-341Hv之间，且与叶根有无裂纹以及距裂纹之间的距离无关，见图2。

2.6 机械强度试验

选取有裂纹的57、89号叶片和无裂纹的59、90号叶片进行机械强度试验，试验值见表2。从试验数据来看，试验值完全满足叶片材料技术规范的要求。

3 原因分析

通过上述试验和检测结果，我们可以看出以下几点：

3.1 从调节级裂纹随意分布来看，裂纹的产生不是叶片在机组运行时发生共振引起的。

图2 叶根硬度检查

3.2 根据调节级叶片上氧化皮与裂纹上氧化皮比较，氧化皮的厚度基本相同，可以认为裂纹产生在2003年叶片更换后不久同一段时间内，后续没有新的裂纹产生。

3.3 叶片的材料和机械性能满足原设计要求，可以认为叶片制造质量上没有问题。

3.4 运行20年的汽轮机调节级叶片，因高温管道及过热器内壁氧化皮脱落随蒸汽进入调节级喷嘴和动叶片，导致喷嘴的出汽边磨损和动叶叶顶的冲刷，尤其是动叶凹面侧叶顶与围带的过渡区域。为了机组安全、稳定运行，2003年对调节喷嘴和冲刷严重的第一级动叶进行了更换。调节级动叶由原制造商按照原设计的图纸和材料进行制造，并由制造厂指导员进行指导和质量控制。叶片更换在运转平台上进行，老叶片拆除后，清理叶根槽并进行磁粉检查，装入新的调节级叶片和围带，加热叶顶铆钉并修整和硬度检查。在叶片更换完成后，为了除去其它叶片上的盐垢和氧化皮，对其余未更换的叶片还进行了水喷砂处理。事后我们对该问题进行反思，认为调节级叶根产生裂纹的根本原因是在叶片更换后进行的其它叶片水冲洗。为了除去叶片表面坚硬的高温氧化皮，采用高压水混合石英砂联合进行冲洗。由于新更换的调节级叶片叶根与叶根槽之间存在间隙，加之冲洗时新更换的叶片没有采取防止异物进入的防护措施，致使冲洗的石英砂和冲洗下来的氧化皮进入叶根与叶根槽之间的间隙中，造成叶根与叶根槽之间不均匀接触，叶根应力集中，从而产生裂纹。

4 防范措施

调节级叶根产生裂纹的原因是叶根与叶根槽之间存在不均匀接触。因此，对于汽轮机检修或改造工程中进行部分叶片更换应采取有效的预防措施；以防止类似问题的发生：

4.1 由于汽轮机长期在高温的环境条件下运行，叶根槽不可避免的存在高温氧化物。如果叶根槽表面氧化物清理不干净，新叶片装入后造成叶根叶根槽之间接触不均匀，造成应力集中，从而叶根产生裂纹。因此在新叶片装复之前，应除去叶根槽内的氧化物。氧化物去除可采用拆除的旧叶片叶根和研磨砂研磨叶根槽，并用红粉检查叶根与叶根槽之间的接触情况，以保证叶根与叶根槽之间均匀接触，避免应力集中。

4.2 去除汽轮机叶片上的高温氧化皮，往往采用叶片喷砂、高压水混合砂以及高压水冲洗等方法。为了防止砂及清洗的氧化物进入叶根与叶根槽之间的间隙中，从而损伤汽轮机叶片叶根及叶根槽，因此该部分工作安排在汽轮机新叶片装复之前进行。

5 结论

通过现场调查和试验分析，调节级动叶的质量满足设计和制造的要求。造成调节级动叶叶根裂纹的原因是叶根与叶根槽之间存在间隙，冲洗汽轮机叶片用的石英砂和冲洗下来的氧化物进入叶根与叶根槽之间的间隙中，造成叶根与叶根槽之间不均匀接触，导致叶根应力集中，产生裂纹。这也在以后的汽轮机检修过程中，叶根探伤检查未发现类似问题而得到了验证。为汽轮机检修或改造过程中进行部分叶片更换具有一定的借鉴意义。