摘要：以N110/C68-8.83/0.981型汽轮机为例,介绍了末级668mm动叶片的结构特点；分析了该叶片出现断裂和裂纹的原因，详细介绍了新材料和施工工艺等的改进方案，以及投运后的情况。
关键词：汽轮机；动叶片；疲劳断裂；水蚀；材质分析
Abstract: Taking N110/C68-8.83/0.981 steam turbine as an example，this paper introduces structural characteristics of the last stage of 668 mm moving blade. By analyzing the causes of fracture and crack in the blade，it introduces the improvement scheme of new materials and new construction technology as well as its operation in details.
Key words：Steam turbine；Moving blade；Fatigue fracture；Water erosion；Material analysis
1、基本情况
广州旺隆电#2机组汽轮机型号N110/C68-8.83/0.981 ，额定功率110MW，末级668mm动叶片。2005年10月投运，年平均运行时数7500小时左右，2016年3月11日C修结束启动过程中出现轴振突变，停机检查发现低压转子反向末级（第25级）1只叶片断裂，断裂位置距叶顶围带约20mm；3只叶片有裂纹，位置分布无规律。
图1 叶片断裂位置图
668mm动叶片是国内某公司于1995年自行设计的末级叶片，叶片按扭转恢复予扭成型。参数详见下表1
表1 668mm动叶片基本参数
Table 1 Basic parameters of 668 mm moving blade
2、叶片异常描述及材质分析和试验
2.1叶片断口、裂纹描述及分析
1号断裂叶片
2号叶片出汽侧存在裂纹
3号叶片进汽侧存在裂纹
4号叶片进汽侧存在裂纹
2.2叶片材质分析和试验
在1号和2号完好叶片上取样，检验叶片材质的化学成分、力学性能和金相组织。
2.2.1化学成分分析
按照GB/T223“钢铁及合金化学分析方法”对叶片钢进行化学成分分析。
表2 化学成分分析数据（Wt%）
Table 2 data for chemical composition analysis
可见叶片钢的化学成分分析结果符合B/HJ420-93中2Cr13钢的技术要求。
2.2.2力学性能试验
按照GB/T228“金属材料室温拉伸试验方法”对叶片钢进行力学性能试验。
表3 力学性能测试数据
Table 3 mechanical performance test data
可见叶片钢的力学性能测试结果符合B/HJ420-93中2Cr13钢的技术要求。
2.2.3金相组织分析
按照GB13298“金属显微组织检验方法”系列标准进行金相检验。
表4 金相检验数据
Table 4 metallographic test data
可见叶片钢金相检验结果符合B/HJ420-93中对2Cr13钢的技术要求。
2.2.4叶片强度振动分析
采用平均应力法计算分析，叶根拉应力207MPa ＜236MPa；铆钉剪切应力227MPa ＜245MPa；叶根轮缘挤压应力380MPa ＜536MPa，均在标准范围内。
2.2.5有限元法计算
采用有限元计算分析，叶型最大应力位于围带与进汽边连接处，最大应力41.25MPa，远小于允许值590MPa。
2.2.6叶片频率分析
所有668mm叶片出厂前均进行了调频试验，频率在合格范围内。
3、原因分析
3.1 2Cr13钢其缺点为抗水滴冲蚀性能不足。当2Cr13钢用于汽轮机末级叶片时需进行表面强化或镶焊硬质合金；同时与厂家沟通和调研同类型或相似机型的机组其未级动叶片均存在不同程度的水蚀现象，特别是当叶片超过665mm叶片防水蚀能力下降，我厂断裂叶片长度刚好正处于这个过渡阶段。
3.2 个别叶片的材质存在差异和安装工艺影响。
3.3 叶片运行工况非常恶劣。从叶片外观检查和断口分析，叶片进汽边冲刷严重，司太立合金片以其下部部分区域冲刷成凹凸不平的蜂窝状。
3.4 裂纹的产生是由多种因素综合作用的结果。水冲刷在叶片边缘形成缺口，产生应力集中效应；同时缺口在叶片离心力、蒸汽力及应力集中效应的共同作用下产生裂纹并不断延伸发展，最终导致叶片断裂。
4、改进方案
4.1采用更好性能材质的材料。首先提出以下二个问题。第一，2Cr13钢抗水滴冲蚀性能不足，那么是否可以选用抗水蚀性能更好的材质来替换？第二个问题是现代600MW和1000MW等大型汽轮机低压末级叶片直径远远大于668mm其如何进行防水蚀的呢？因此提出叶片材料由2Cr13更改为0Cr17Ni4Cu4Nb。通过查阅大量相关火力发电厂金属材料和汽轮机书籍，并与厂家进行充分的沟通和探讨，得出 Cr（铬）元素可以提高钢的抗氧化能力和耐蚀性，并且1000MW汽轮机的低压末级叶片使用0Cr17Ni4Cu4Nb材料已得到较普遍的应用。
4.1.1方案论证，对0Cr17Ni4Cu4Nb材料的性能进行了专业的数据计算和分析。以下为2Cr13与0Cr17Ni4Cu4Nb的叶片材料强度、腐蚀疲劳性能等方面进行对比分析和说明。
4.1.1.1叶片强度分析
表5 室温力学性能对比
Table 5 comparison of mechanical properties of room temperature
通过对比、屈服、抗拉、延伸率、断面收缩率以及硬度方面0Cr17Ni4Cu4Nb均优于2Cr13，因此0Cr17Ni4Cu4Nb的力学性能明显优于2Cr13。
4.1.1.2疲劳性能分析
表6 室温空气疲劳性能对比
Table 6 comparison of fatigue properties of room temperature air
通过对比发现0Cr17Ni4Cu4Nb在室温下疲劳强度优于2Cr13。
4.1.1.3腐蚀疲劳性能分析
表7 腐蚀环境下疲劳性能对比
Table 7 comparison of fatigue performance in corrosion environment
通过对比发现0Cr17Ni4Cu4Nb在腐蚀环境下（80℃3%氯化钠溶液）其疲劳极限达到了2Cr13的两倍。
由此可以得出如下结论，叶片材生，采用0Cr17Ni4Cu4Nb具有更高的综合性能，有更高的屈服强度及疲劳强度，因此叶片在强度方面具有更高的安全裕度，能有效的提高叶片的使用寿命；另外，该材料具有更高的腐蚀疲劳强度，从而保证叶片能够更加安全稳定的运行。
4.2 改善叶片的加工工艺。使用先进的五轴数控机床对动叶片进行集成加工，主要从集成加工工艺以及机床各轴精度对加工的影响进行分析和研究。通过与厂家充分的沟通和现场的质量验收，最大限度减少叶片表面的粗糙度，从而有效减少叶片的应力集中。
4.3 改善叶片拆除工艺。在施工拆除时，由于销子为过盈配合紧力大，单重达5.4Kg，而且机组投运13年多零部件已发生锈蚀等多种因素影响，钻孔时出现“跳刀”造成多把刀具断裂而无法正常施工。为保证施工的工期与质量，提出先将叶片沿轮毂方向用火焊切割，减轻重量后再沿轮槽的径向切削定位销，定位销被分成5段约26mm的销，后续的施工进度才得到顺利的开展。因为钻孔时整一圈存在中心少许偏移的现象，为此将原孔由∮22mm铰孔至∮24mm，不但解决了偏心问题，而且大大提高了销孔的光洁度，对后续的车削和动平衡工工艺打下了良好的基础。
4.4 减少叶片的重量误差。叶片在毛坯锻造、热处理后，使用数控机床整体加工而成的。通过与厂家的积极沟通，改善加工的工艺方案，加强过过程监造和严格执行检验报告，减少叶片之间重量误差，提高叶片的质量和自身平衡能力。
4.5 改善叶片安装工艺。叶根安装间隙不均匀可能会影响局部叶片动载过大，参与安装过程的质量见证和严格质量验收，已尽量消减人为因素带来的影响。
4.6 提高主蒸汽参数。主蒸汽参数运行值偏低于额定工况要求，将主汽温度由530℃提高至535℃，主蒸汽压力由8.7MPa提高至9.1MPa，提高机组的经济性的改善末级叶片的汽蚀情况。
4.7 改善运行调整方式。运行中尽量维持低压缸的进汽量稳定，要求变工况运行或调整供热量时应缓慢，防止工况大幅变化时凝汽器的部分水汽反流造成末级叶片水蚀。
5 现状
通过近一年的运行时间，不仅机组整体运行稳定（缸胀、轴向位移、振动等重要参数），而且停机后进行检查，叶片光泽，未发现有水蚀现象。
图2 叶片无水蚀
Fig.2 anhydrous erosion of blade
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论文作者:黄成
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
标签：叶片论文; 应力论文; 汽轮机论文; 金相论文; 裂纹论文; 疲劳论文; 性能论文; 《电力设备》2018年第19期论文;