汽轮机低压转子的失效叶片的材料性能调查

张鹏程

摘 要：某火力发电厂的汽轮机组的1#低压转子部分，第四级叶片发生了断裂。为了查明叶片断裂的原因，分别选取断裂叶片、有裂纹叶片和无裂纹叶片进行了外观检查、化学成分分析、力学性能分析，并对材料的微观结构进行了显微镜照相和X射线能谱分析。经过缜密的分析和推论，发现这次事故的主要原因是叶片的锻造质量不佳，回火温度较低，使得叶片的耐腐蚀能力下降明显。在循环交变应力和腐蚀介质的共同作用下导致叶片裂纹扩展直到断裂。

关键词：汽轮机；转子；叶片；材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.068

0 引言

哈爾滨某火电厂的2# 机组在运转过程中振动突然增大，打开机组外壳检查发现1#低压转子第四级叶片发生断裂1片、发生开裂8片，机侧次末级叶片开裂2片；低压转子第四级叶片断裂2片、开裂10片。这套机组是360 MW亚临界燃煤发电机组，其中的汽轮机低压缸内部的转子叶片是由2Cr13马氏体不锈钢制备，可在200℃下使用。叶轮的理论转速3000 r/min， 改机组累计运行了65000 h。汽轮机的叶片是机组内部最重要的运动部件之一，对安全生产极为重要，为了延长机组的寿命，作者所在班组对叶片的断裂原因进行了调查。

1 叶片材料分析

1.1 外观检查

分别选取第四级断裂叶片1片（-1#）、开裂叶片3片（分别是-3#、-66#、-72#），次末级开裂叶片1片（+17#）、无裂纹低压第四级叶片11片（分别是-6#、-40#、-71#、-72#、-73#、-75#、-78#、-134#、-136#、-155#）进行实验分析。经过观察，开裂叶片的裂纹处都出现在出汽边；裂纹前段平直；叶片的根部都出现了60 mm左右范围都有裂纹。从图1的照片显示，断裂的叶片几乎断语近叶片的根部。裂纹的开始区位于发现在出汽边，从出汽边向进汽边的方向延伸，断口区断面比较平整，沉积物多；中区能发现很多疲劳条纹，后区断口起伏较大，断区面积占叶片面积约有30%。

1.2 化学成分分析

为了分析叶片断裂部分的化学成分，从低压第四级-3#开裂叶片提取材料，进行了化学分析，主要元素指标如表1所示。

经过国标对比可知，开裂叶片的碳元素处于国标范围的中间数值范围以外，其余的元素浓度都小于标准数值。

1.3 力学性能分析

为了进一步确定材料的力学性能，分别选取三片开裂叶片和三片未开裂的叶片，取样后进行力学性能分析实验。利用液压伺服试验机进行上，按照国标GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》进行室温拉伸实验，并参照GB/T 231.1-2002 《金属布氏硬度实验》进行硬度实验。实验结果如表2所示。

由表2 的数据可知，从了-155#样品以外，其余的样品的抗拉强度都偏高，并且开裂的样品明显高于未开裂的样品。

2 结论

（1）叶片锻造质量不佳是主要原因之一。回火温度偏低导致叶片的抗拉强度、硬度数值偏高，耐腐蚀能力下降明显。

（2）叶片出汽边的腐蚀坑点位叶片的疲劳裂纹源，受到循环交变应力和腐蚀介质的共同作用是叶片裂纹扩大直到发生断裂。

参考文献：

[1]杭州工业汽轮机研究所.工业汽轮机文集[R].杭州：杭州汽轮机厂技术情报室，1987.