汽轮机叶片断裂原因探究

彭紫薇，何兴川

（重庆邮电大学，重庆 400065）

汽轮机叶片断裂原因探究

彭紫薇，何兴川

（重庆邮电大学，重庆 400065）

汽轮机能否正常运转，叶片起着至关重要的作用。而其选材、加工乃至安装等都决定汽轮机组的安全运行。以往汽轮机叶片断裂事故经常发生，虽然目前我国的机械制造技术日趋完善,汽轮机叶片断裂事故鲜有发生，但其断裂的原因必须找到，以防止安全隐患的存在。本文主要阐述了汽轮机叶片断裂情况及其原因。

汽轮机；叶片断裂；原因分析

专业人士以大量断裂的汽轮机叶片为研究对象，经实验分析得出疲劳断裂是造成汽轮机叶片损伤的主要原因。因为叶片处于复杂的工作环境，受力十分难判断，因此时有叶片断裂事故出现，造成相关工作人员伤亡，故必须分析汽轮机叶片断裂的原因。根据叶片断裂的形式不同，可将其分为应力疲劳损坏、腐蚀疲劳损坏等几种破坏成因。应通过对叶片断裂的原因做出探寻并提出对应的解决方案，有效杜绝汽轮机在使用过程中因叶片断裂造成的安全事故和阻碍正常生产等现象。

1 断裂原因分析过程与步骤

（1）叶片断裂实况调查。第一时间对发生断裂的汽轮机叶片进行详细记录，记录内容包括叶片断裂时间、叶片工作地点、断裂部位、检查、断口类型及其实景取样。（2）充分了解发生问题的汽轮机状况。主要为汽轮机大小、各项使用参数、维护送检次数等项目。（3）工作实况检测。即调查该汽轮机在运行过程中是否有短路、电流过大、叶片超速运转、异物碰撞和不良振动过大等问题的出现。（4）断口分析。通过研究断面，以更好更快的找到叶片断裂原因。主要通过宏观与微观两方面进行分析。宏观研究可以比较清晰的找到受损叶片的断口特征以及疲劳损伤作用点位，而微观研究则可分析出叶片在材料方面的问题,如金属内部分子的滑移与硬化等等。这些都在为寻找断裂原因及损坏本质做贡献。（5）结构分析。对叶片的所有结构进行精准分析,而且需强调的是对于变截面叶片及尖角等特种结构应着重分析。（6）工作条件分析。调查叶片的工作环境，例如是否与不良特性的物质接触，是否在高温环境下长时间运转等等。（7）叶片强度检验。严格计算叶片在工作时所受到的剪力、弯矩、扭矩等力学参数，并对断裂部分进行强度、刚度、振动的计算,与许用值进行对比。（8）振动分析。计算受损叶片的分散度与安全度是否都在理论最大安全值之内。（9）叶片组成材料分析。查出受损叶片的组成材料参数，其中包括：牌号、化学组成、金相组织、抗弯模量、冲击韧性。（10）无损检测。对发生断裂的叶片,用肉眼宏观检查与显微镜微观检查,通过磁粉和超声波检测判断是否存在无裂纹类损伤及损伤位置。（11）加工质量审查。分析损坏叶片特别是损坏部位的加工质量,精准测量加工圆角与锐角及表面光洁度，检查是否存在机床刀痕。（12）表面检查。分析损坏叶片的表面状况,看有无机械损伤、腐蚀、冲蚀等容易引起应力集中的缺陷。

2 汽轮机叶片断裂机理

导致汽轮机叶片发生断裂的原因有很多，主要方面为叶片所受应力大小、工作时的温度高低、工作环境、磨损疲劳程度。

2.1 工作温度对汽轮机叶片的影响

汽轮机运转时，靠的是叶片提供动力。而汽轮机的工作环境多为水下等较为恶劣的环境，尤其在有电解质溶液存在的条件下，加之高温环境促进了电解平衡的正向移动，使得汽轮机的叶片不可避免的承受着非常严重的电化学腐蚀，这种腐蚀带来的危害远大于其他类型的腐蚀，因此有可能会导致叶片断裂，进而阻碍了工作的正常进行，甚至危害工作人员的生命健康。有的工厂因为生产需要，会有很高的温度，如：冶金、机床加工等等，汽轮机叶片在这样的环境下是否能够正常运转很大程度上决定了其是否断裂。汽轮机叶片因工作时的功能不同，且转速不同，使得各级叶片的实际温度都不一样。显然，叶片所处温度从第一级至最后一级逐级递减，但递减程度每级之间又有不同。值得说明的一点是，因为最后一级叶片的温度较低，会存在少数尚未高温气化完全的水分子，且呈游离状，它们会遇冷液化为小水珠，在高速转动的叶片形成的超大气压下冲击叶片，发生水冲侵蚀并产生较大不良影响。

2.2 受力情况对汽轮机叶片的影响

叶片靠汽轮机内部的转子提供动力进行转动，而转子在竖直方向受到向下的空气压力。常见的汽轮机多采用单阀进汽动力模式，每个进汽阀的进汽量相同，这保障了转子在竖直方向受到的空气压力与竖直方向所受到的动力两者互相平衡，但是如果汽轮机的进汽量不足时，必然会使汽轮机转子所受到的空气压力发生骤变，准确地说就是转子在竖直方向所受到的空气压力因无法被抵消而变得很大。显而易见，这种状况会造成汽轮机的瓦温升高，必然无法维持正常的运转。汽轮机的叶片还会受到较大的应力以及弯、扭矩作用，转子在旋转时由于受到很大的离心力会产生内应力，叶片长度可视为转子转动时的转动半径，而离心力正比于转动半径的平方，所以应力必然较大。不可忽视的是气流也是汽轮机工作时一个必须认真考虑的因素，气流会使得叶片产生难以平衡的剪力、扭矩、弯矩，在外力作用下引起共振或被迫振动，加大振幅，从而导致汽轮机叶片因为振动过度而疲劳断裂。

2.3 电化学腐蚀对汽轮机叶片的影响

若汽轮机在潮湿环境下工作，则周围充满着大量的水蒸气，水蒸气中所含的氧气会与构成叶片的活跃金属发生得失电子的化学反应，即人们通常所说的氧化还原反应，对叶片造成一定程度的腐蚀，使其强度下降，引发断裂。还有一种更为严重的腐蚀就是电化学腐蚀，因为汽轮机工作的环境中存在电解质溶液，常见的有饱和硫酸盐溶液等等，在有水的情况下形成电解池，使得叶片中的金属不断被电离，最终因叶片的工作强度消失而断裂。典型的例子就是汽轮机叶片的点蚀现象，金属叶片与电解质溶液之间形成原电池，此时作为电池阳极的叶片会因失去电子变为游离的离子发生溶解，造成强度渐渐降低，还有保护叶片的钝化膜一旦因产生裂纹而暴露在溶液中时，仍然会形成原电池而导致叶片的化学成分发生一定程度的改变。在各种外力相互叠加的作用下，汽轮机叶片可能会由起初的几个很小的裂纹继而逐渐过渡成为很大的裂纹，当其扩大到无法弥补的尺寸时，叶片就会因裂纹过大而丧失强度发生断裂。除此以外，汽轮机本身也是有可能造成叶片断裂的。汽轮机的叶片在转动的时侯，若根部固定不牢，随之而来的就是引起叶片振动，振动带来的相互摩擦会造成叶片损伤。

2.4 磨损疲劳程度对汽轮机叶片的影响

某案例是科研人员对得到的断裂叶片在组成成分、硬度刚度、裂纹大小等方面检测时均未发现不达标的数据。在多次全面检查后,发现有些叶片存在着大小不一的裂纹,但位置都发生在同一处。用高清电子显微镜观察得知，裂纹上均有很多相互平行的螺纹且开裂方向也基本相同。究其本质，这些叶片断裂的原因正是源于罕见的多源疲劳断裂。具体来说就是单一叶片的断裂所引起的连锁反应,作用于叶片根部的力向周围扩散与传递,造成围带局部受力增大导致断裂,与断裂叶片相邻的叶片销钉受力增加,萌生疲劳裂纹,进而发生疲劳断裂。

3 汽轮机叶片断裂原因总结

（1）汽轮机过负荷运行，使叶片超过最大许用应力而折断。（2）汽轮机叶片频率不符合要求，运行中发生共振而折断，特别是高、低周波运行时尤为严重。（3）叶片由于机械杂质冲击，湿蒸气水蚀和化学腐蚀等因素，使叶片机械强度减弱而折断。（4）汽轮机新蒸汽温度经常超出限度，使叶片受高温影响，材料许用应力降低或产生高温蠕变而折断。（5）叶片长度过长，导致转动时因转动半径过大而产生较大离心力，从而产生较多裂纹，逐渐发展从而引起叶片断裂。

4 结语

综上所述，要想实现汽轮机的安全正常运行必须拥有良好的工作环境。因此，务必提高蒸汽质量，定期对工作环境进行检测，发现不合格之处需及时处理。同时工作人员在运行过程中应时刻关注机组的实际荷载，杜绝超限超应力运行，也应保证汽轮机在正常的温度及湿度下工作，防止电化学腐蚀。只有找准断裂原因，才能尽早的把有可能发生的故障消灭在萌芽阶段，为企业的发展和员工的健康保驾护航。

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