摘要：汽轮机为喷管结构的腔性多级叶轮组合，其设计结构复杂，材料要求较高。在设备安装和运行环节也有着严格的条例化要求，开停机也需要相应运行环境达标后方可操作。电厂的运行与检修需要相关汽轮机选型、安装、维护与后勤保障的协同配合。在流程工业框架下进行系统化、完整性的综合评估，确保平稳生产。而相关叶片开裂事件必须明确记录事故发生的前后工况信息和上一阶段的检修维保细则。本文基于笔者四川广安发电有限责任公司多年工作经验，以火电厂汽轮机叶片开裂原因分析、探究对象。为电厂的稳定高效运行提供参考性指导意见。
关键词：火电厂；汽轮机；叶片；开裂；施工
1引言
火力发电厂属于动力工程与工程热物理大学科下热动工程专业所属研究领域。其中汽轮机为该系统中主体核心设备，其设计、制造、运行与检修都有一套成体系的运行守则。相应工程日常运行维护的稳定性也起着关键性作用。依据机械设计原理可以得出，汽轮机为喷管结构的腔性多级叶轮组合，其设计结构复杂，材料要求较高。在设备安装和运行环节也有着严格的条例化要求，开停机也需要相应运行环境达标后方可操作。在正常生产环节，由于下端用户和上游要求的变化会导致多重因素互为影响而导致的停机。不稳定振动和复杂波动工况最终会导致汽轮机精密叶片受损甚至发生不同程度的开裂。所以需要在检维修环节进行前一阶段运行工况的故障节点记录，以对比检修过程中发现的不同程度叶片开裂问题，系统分析相关数据。为电厂的稳定高效运行提供参考性指导意见。
2汽轮机叶片开裂理化检验
首先需要在材料力学领域进行相关概率的明确。在宏观角度上，腐蚀环境与交变载荷的交互作用会最终诱发金属部件的腐蚀疲劳，当这种影响量化到一定程度时就会导致部件失效和系统不安全。所以在失效模式判定和机理分析上需要进行失效环境下不同材料的疲劳极限测试，并依据真实生产工况下是参数结合部件设计情况进行对比分析。在汽轮机叶片开裂研究方面就需要分析腐蚀环境下的叶片受交变应力的互为共同影响导致的损失。在此根据现场真实情况进行模拟预设：某厂汽轮机转子转速3000r/min，运行真实蒸汽压8.8MPa，运行蒸汽温度520℃。某年检修过程中发现低压转子末级叶片有不同程度损毁，查阅设计资料叶片材料为2Crl3马氏体不锈钢，且制造过程进行了淬火＋高温回火热处理，根据行业保密条例，在此不在展现汽轮机相关细节参数。设定冲蚀区域长250mm、宽10mm，且向着叶顶方向显冲蚀严重，最长裂纹10mm（图1）。
图1低压转子叶片宏观形貌
运用本厂现有检测手段在叶片冲蚀区域的微裂纹处进行取样，运用光学显微镜进行标准化金相检验。并取一定浓度的三氯化铁溶液进行侵蚀剂配比浸泡（图2）。由结果可见：各试样的显微组织均为回火马氏体，组织未见异常；裂纹起裂于进汽侧边缘叶身内弧面，缝隙宽窄不一，裂纹平直无分叉现象，尖端较圆钝。
图2金相试样取样位置
进一步进行断口分析，在叶片冲蚀区域截取裂纹试样，并在液氮中将裂纹打开，在超声波仪器中将断口浸入丙酮进行清洗后，采用扫描电子显微镜对原始断口进行观察然后按照《金属和合金的腐蚀试样上腐蚀产物的清除》中推荐的断口清洗方法，在超声波仪器中用盐酸水溶液对断口进行酸洗，并对酸洗后的断口再次进行观察。由结果可知，酸洗前断口裂纹区域上整体覆盖 有附着物，有关断裂机制细节不清晰；用盐酸水溶液酸洗后依稀可见断口裂纹区域存在可表征疲劳特 征的贝壳线条纹，应为疲劳断裂。
3结构分析与讨论
2Crl3马氏体不锈钢属于稳定性特种材料，成本可控且运用广泛。在多重工况条件下能承受极强的韧性、冷变形性，且在热强性和耐腐蚀性上也有较好的表现。特别针对高振动条件下相关实际表现也较好。在动力工程与工程热物理领域相关设备的低温段长叶片、阀杆以及发电机模锻风叶等都广泛运用。依据上节所述，本次案例所述的叶片开裂处裂纹平直、并无分叉扭曲等现象，且裂纹尖端较圆钝。进一步测试可知，其裂纹断口区存在少量的钠、钾、 硫、氯、铜等元素，继续分析汽水介质可知，相关腐蚀性杂质元素在此堆积聚合所致。多重工况下的启停机以及负荷调整都会导致叶片会交变应力变化以至于故障裂纹断口中部依稀可见有反映疲劳特征的贝纹线存在。 进入汽轮机系统的水汽如果存在腐蚀性成分，将产生腐蚀性环境；腐蚀性环境加速了疲劳过程的发展，并在开裂面形成腐蚀性产物；机组工况发生 变化或启停机时，由温度波动导致的交变热应力会 在腐蚀性环境的辅助下导致叶片产生腐蚀疲劳。综上可知，该低压转子叶片的材质状态正常，叶片开裂是由腐蚀和交变应力共同作用产生的腐蚀疲劳开裂所致。
4预防汽轮机叶片开裂的相关建议
经过进一步测试并比对相关事故报告，得出：本次叶片开裂属于氯离子应力影响下的腐蚀开裂，而运行过程中的动叶片在相关进汽侧的背弧面边缘上有助于各种杂质性腐蚀元素的堆积，汽轮机末级动叶片上的开裂属于氯离子应力腐蚀开裂。动叶片进汽侧背弧面边缘上的冲击磨损蚀坑易于富集各类杂质，当氯离子存在于富含溶解氧的蒸汽水中时，在动叶的离心拉应力作用下，容易引起氯离子的应力腐蚀开裂。为避免汽轮机正常运行中再次发生此类故障，建议采取以下措施。(1)防止工业冷却水从冷凝器泄漏到锅炉水系统，加强对给水水质的监控，提高蒸汽质量，尽量减少氯离子含量。(2)保持锅炉清洁，防止蒸汽中的小颗粒腐蚀叶片，形成裂纹源。(3)加强汽轮机停机保护，保持汽轮机流道干燥。(4)汽轮机应定期进行气缸开度检查。特别是要加强叶片的无损检测，尽快发现裂纹。
5结语
综上所述，火电厂的运行与检修需要相关汽轮机选型、安装、维护与后勤保障的协同配合。在流程工业框架下进行系统化、完整性的综合评估，确保平稳生产。而相关叶片开裂事件必须明确记录事故发生的前后工况信息和上一阶段的检修维保细则。在信息完备，实验分析准确的前提下得出科学可行的相关意见。为保证火电厂经济高效的运行提供变革性意见。
参考文献
[1]黎华, 卢忠铭, 刘课秀, et al. 火电厂汽轮机叶片开裂原因分析[J]. 理化检验-物理分册, 2017(3).
[2]江国栋, 卢建湘. 火电厂汽轮机组叶片断裂分析与研究[J]. 热加工工艺, 2017:261.
[3]徐凌环, 张忠臣, 孙士会. 汽轮机叶片断裂原因分析[J]. 吉林电力技术, 1999(1).
[4]谢建峰. 某热电厂汽轮机叶片断裂失效原因分析[J]. 黑龙江电力, 2002(6).
论文作者:朱立
论文发表刊物:《科技新时代》2019年9期
论文发表时间:2019/11/19
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