200MW汽轮机末级叶片断裂原因

东北电力技术

‘

200MW汽轮机末级叶片断裂原因

及裂纹扩展寿命的估算

´ÈÅ¢ÒÅÁËÁÅ£ÁÕÓÅÓÁÎÄÔÈÅ¥ÓÔÉÍÁÔÉÏÎÏÆ¢ÒÅÁË¥ØÔÅÎÓÉÏÎÇÁÎIJÅÓÉÄÕŬÉÆÅÆÏÒ¬ÁÓÔ³ÔÁÅ¢ÌÁÄÅÓÏÆ’••-·´ÕÒÂÉÎÅÇ

郑福民‘Œ于维成’Œ杨振国’

ˆ‘1辽宁电力科学研究院Œ辽宁 沈阳 ‘‘•••–›’1中国科学院金属研究所Œ辽宁 沈阳 ‘‘••‘•‰

摘要š对清河电厂’••-·汽轮机末级叶片断裂原因进行分析Œ同时通过疲劳裂纹扩展试验及力学分析估算了形成•1˜

ÍÍ初始裂纹源的剩余寿命约为‘’—•È\"该结果对汽轮机末级叶片的运行!监测及维修时间的修订提供了重要依据\"

关键词š叶片断裂›原因分析›裂纹扩展›寿命估算

Abstract:´ÈÅÂÒÅÁËÁÅÃÁÕÓÅÓÏÆÌÁÓÔÓÔÁÅÂÌÁÄÅÓÁÒÅÁÎÁÌÙÓÅÄÆÏÒ’••-·ÔÕÒÂÉÎÅÏƱÉÎÇÈÅ°Ï×ÅÒ°ÌÁÎÔŽ-ÅÁÎÔÉÍÅŒÔÈÒÏÕÈÔÈÅÇÇÇÔÅÓÔÏÆÆÁÔÉÅÂÒÅÁËÅØÔÅÎÓÉÏÎÁÎÄÔÈÅÍÅÃÈÁÎÉÃÓÁÎÁÌÙÓÉÓŒÉÔ×ÁÓÅÓÔÉÍÁÔÅÄÔÈÁÔŒÔÈÅÒÅÓÉÄÕÅÌÉÆÅÆÏÒÍÉÎÇ•1˜ÍÍÉÎÉÔÉÁÌÂÒÅÁËÓÏÕÒÃÅÑÕ×ÉÌÌÂÅÁÂÏÕÔ‘’—•ÈŽ´ÈÉÓÒÅÓÕÌÔÐÒÏÖÉÄÅÓÁÉÍÐÏÒÔÁÎÔÂÁÓÉÓÏÆÏÐÅÒÁÔÉÏÎŒÍÏÎÉÔÏÒÉÎÇÁÎÄÁÍÅÎÄÉÎÇÔÈÅÔÉÍÅÏÆÍÁÉÎÔÅÎÁÎÃÅÆÏÒÔÈÅÌÁÓÔÓÔÁÅÂÌÁÄÅÓÏÆÔÕÒÂÉÎÅŽÇ

Keywords:¢ÌÁÄÅÂÒÅÁËÁÅ›£ÁÕÓÅÁÎÁÌÙÓÉÓ›¢ÒÅÁËÅØÔÅÎÓÉÏΛ¬ÉÆÅÅÓÔÉÍÁÔÉÏÎÇ

»中图分类号½´§‘‘‘Œ´«’–“Ž“»文献标识码½¡»文章编号½‘••”•—™‘“ˆ’••’‰•˜••••‘••”

1 叶片断裂原因

111 断口金相分析

余•1’*•1“ÍÍŒ可能打磨时已暴露了疏松\"疲

劳裂纹起源于此孔洞壁并向进汽边扩展时Œ距源

‘1“™ÍÍ!‘1—‘ÍÍ和‘1™•ÍÍ处都存在明显的

叶片宏观断口示于图‘Œ断口平滑Œ有清晰的疲劳弧线Œ从疲劳弧线的弯曲方向确定裂纹萌生于排汽边Œ向进汽边扩展的平滑疲劳区约占总断口的

—•…Œ最后瞬断区较粗糙Œ并呈现”•b剪切唇\"用³¥-观察裂纹源区可见到孔洞群ˆ图’ˆÁ‰‰Œ该

疲劳孤线Œ该范围断口很光滑Œ裂纹在此间隔扩展是很慢的›裂纹源区的成分分析见图“ˆÁ‰\"

在距源’1˜˜ÍÍ的断口Œ靠近叶背面还有大片孔洞群ˆ图’ˆÁ‰‰Œ此孔洞在断口内部的亚表面Œ但在此处断口的侧表面ˆ距断口‘*’ÍÍ处‰Œ已有大片孔洞外露Œ最长的孔洞达’1•ÍÍ›因此裂纹在此区扩展较快\"离开此大片孔洞’1’™ÍÍ后Œ在靠近叶盆面的断口ˆ距叶盆”1—Í͉有很长一段断口区富硅ˆ图’ˆÂ‰及图“ˆÂ‰‰Œ由于富

孔洞群占据排汽边叶背边长约•1–ÍÍŒ并穿透叶

尖厚度约•1’*•1“ÍÍ\"这么大片的孔洞是因该部位存在疏松缺陷又经历腐蚀后形成的Œ大修时叶片打磨的痕迹在此处特别严重Œ致使叶尖厚度只剩

图‘ 宏观断口形貌

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’••’年第˜期

ˆÁ‰ˆÂ‰

ˆÃ‰ˆÄ‰

图’ 用³¥-观察裂纹源区

ˆÁ‰)))孔洞群›ˆÂ‰)))叶盆面富³É区›ˆÃ‰)))回火马氏体•••@›ˆÄ‰)))蚀坑及裂纹

ˆÁ‰ˆÂ‰

图“ 叶盆面的腐蚀坑

ˆÁ‰)))坑内成分›ˆÂ‰)))富³É区成分

硅区只在近叶盆面的断口边缘Œ所以这可能是运行过程叶片已开裂Œ由于水蒸气中携带的硅进入断口所致\"在疲劳扩展区的中部和后部有”条很尖锐的裂纹休止线Œ在断口的叶盆面也存在腐蚀坑\"坑内的成分示于图“ˆÁ‰Œ它含有氯!镁!钙!硫离子\"

在距排汽边断口”ÍÍ处取金相试样Œ图’

ˆÃ‰是该区的金相组织为回火马氏体Œ有的区域马氏体较粗大Œ其硬度Rc•’”ˆ¨¢•’”˜‰\"在排汽边存在较多腐蚀坑ˆ图’ˆÄ‰‰Œ坑底有微裂纹存在Œ对腐蚀坑裂纹区的成分分析看到腐蚀区存在氯为

’••’年第˜期

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“

‘1“—…!硫为•1˜…!磷为•1”…\"因此表明易腐蚀的

部位材料的³!°含量较高Œ另外环境中也富³\"112 分析结论

Á1 叶片属腐蚀疲劳断裂Œ腐蚀介质以含氯离

子的盐为主Œ还有少量硫\"

Â1 该叶片断口的排汽边存在严重孔洞缺陷Œ

这些孔洞可能是原材料存在的疏松!缩孔缺陷在锻造后未闭合形成的›冶金缺陷与腐蚀交互作用Œ促进了疲劳裂纹的形成\"

Ã1 叶片承受的应力来自离心力叠加汽动弯曲

应力Œ断裂部位位于二阶弯曲振动的节点Œ是承受振动疲劳应力较高的区域Œ叶片排汽边打磨使缺陷暴露Œ是加速疲劳裂纹形成的重要原因Œ所以该断裂叶片是引起其它’’片叶片变形!撕裂的主祸首\"

2 叶片裂纹扩展寿命估算

用ÐÁÒÉÓ公式Äa•ÄN•C($K)

m

•C(Y$R

Pa)来描述宏观裂纹(až•1•Í͉的疲劳扩

展行为»‘½\"其中Äa•ÄN是裂纹扩展速率›C,m是材料常数,由试验来测定;$K是应力强度因子变化幅,$K•KÍÁØ•KÍÉΛY是无量纲应力强度因子(或称为形状因子),对确定的加载方式和试样几何形状,它是裂纹长度a的函数,即Y•Y

(a)\"因此,欲知裂纹扩展的行为(即Äa•ÄN),

关键在于C,m,a,$R及Y的确定\"

211 用疲劳裂纹扩展试验确定C及m值

把叶片的断裂看作是单边裂纹在承受变动的蒸汽汽动弯曲应力ˆ该应力垂直于断面‰作用下疲劳扩展的结果\"在原叶片上取材ˆ’£Ò‘“‰做成单边缺口试样Œ在大气室温下Œ参照国家标准

§¢–“™˜)˜–做单向拉)拉裂纹扩展试验Œ分别测

得a•N曲线ŒÄa•ÄN•$K曲线\"用七点拟合方法计算出每个试样的C和m值Œ取其数学平均值Œ得到C••1”‘@‘••‘’,m•’1—•\"212 a及$R的确定

对叶片断面建立如图”ˆÁ‰所示坐标系Œ其中断面的盆缘和背弧是由实测数据经计算机拟合而得Œ盆缘和背弧的曲线方程为Y‘和Y’\"裂纹前沿取断面中线ˆ图”ˆÁ‰中的Ya线)上的点,它的曲线方程为Ya•(Y‘‹Y’)/’\"

裂纹长度a是从裂纹前沿到叶片排汽边的曲线长度š

a(x)U

Q

x

-•1•—–•’•“

‘+(ÄYa/Äx)Äx

ˆÁ‰

ˆÂ‰

图” 叶片断面建立的坐标系和应力图

ˆÁ‰)))坐标系›ˆÂ‰)))压应力

叶片在实际运行中所受应力极为复杂Œ来源于诸多方面Œ主要的有叶片自身及附件ˆ围带拉金‰的离心应力Œ叶片的振动应力Œ汽动弯曲应力等\"上述的离心应力在叶片工作时ˆ转速为••Ò•Ó‰为一恒定值Œ它对裂纹疲劳扩展初中期ˆ即临近瞬断前‰影响不大\"目前对叶片的振动应力还没有一个很好的计算方法»’½Œ因为它不仅与叶片的材料和形状有关Œ更重要的是它与引起振动的激振力ˆ如轮盘的振动!蒸汽力等‰有关Œ因而无从知道振动的振幅»“½\"但由于工作中采用了围带!阻尼拉金等消振手段Œ一般认为振动的振幅很小Œ因而由此产生的振动应力也很小\"

蒸汽的作用使得叶片向两个方向弯曲Œ一个是沿轴向ˆ即绕V•V轴‰Œ另一个是沿切向ˆ绕U

•U轴‰Œ对长叶片ˆ如––•ÍÍ叶片‰Œ可认为V•V方向即为轮盘的切向,

U•U方向为转轴

方向\"蒸汽对叶片的冲击力沿轴向较小,同时截面

(即断面)的V•V轴的转动惯量JV较大,因而

此分力在叶片断面上产生的弯应力较小,而蒸汽的冲击力在切向的分力(动应力)较大\"截面的U

•U轴的转动惯量Ju较小,导致该力在叶片截面

上产生的弯应力较大,因而该方向(即叶片厚度方向)的蒸汽力较危险,我们只考虑蒸汽的切分力产生的弯距Mu造成的叶片弯应力\"

蒸汽对叶片绕U•U轴的变距Mu在断面上

”

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’••’年第˜期

U•U轴的叶盆一侧产生拉应力Œ背弧侧产生压应

力ˆ如图”ˆÂ‰‰\"对断面上一点A,应力的大小为RA•Mu/WA•Mu/(Ju/La)•Mu/Ju,因而对一定的弯距和截面(即Mu,Ju一定时),有RA]La,La为点A到最小惯性轴U•U轴的垂直距离,Ju为断面的最小惯量距\"

叶片排汽边蒸汽弯应力最大值为‘™-°ÁŒ在该值下的MuÍÁØ•R排Ju/La•“‘’–™-°Á#ÍÍ\"因此有RAÍÁØ•“‘’–™La/JuŒ进一步计算Œ可得断面上一点A在MuÍÁØ下的弯应力为RAÍÁØ•‘˜1™•

•1–‘–”a‹•1•’a’‹’1‘••–@‘••a“‹˜1•—“–@‘••˜a”Œ其中a为点A到排汽边曲线长度\"

若由上式得出的RAÍÁØ为负ˆ在U•U轴的背弧一侧‰Œ则表示压力Œ但总的应力应再叠加上一个很大的离心拉应力ˆ大于’••-°Á‰Œ因而仍属拉力Œ裂纹仍可疲劳扩展\"

根据哈尔滨汽轮机厂对该机组末级叶片强度设计»”½Œ该弯应力的最大值ˆ排汽边的弯应力值‰在•*‘™-°Á之间变动Œ即$R•R,R介于•和

RÍÁØ之间Œ即A点的RA在•和RAÍÁØ之间变动\"213 Y的确定

把断面看成是由夹角不断变化的尖劈形连接而成Œ参照文献»•½Œ拟合得到当R不随a而变时(即R处处相等)的曲线及Yr(a)•a方程如图•所示\"考虑到用上述方法得到Yr(a)•a关系是在R与a无关的情况下得到的(即均匀加载下的),它必然不适于不均匀加载情况(即R•R(a)),因而必须加以修正\"应用权函数方法,经过复杂的计算,得到我们所要求的曲线及方程(如图•)\"最终得到的应力强度因子变化幅为$K•(‘™••)YzPa•

‘™YzPaŒ式中$K单位取-°Á#ÍÍ‘•’Œa取

ÍÍ\"

214 裂纹扩展循环数和剩余寿命的计算

从a••1˜ÍÍ开始计算Œ裂纹扩展到a时的

循环数为

N(a)=‘/CQ

a

‘

•1˜($K)

mÄa裂纹长度的上限取到—•ÍÍŒ因为随着裂纹

的变长Œ扩展越来越快ŒN增加较小\"计算出的

N(a)•a关系如图–\"裂纹从•1˜ÍÍ扩展到a所用时间为t(a)•N(a)/“–••fh,其中f为蒸汽力的作用频率\"若取f•••¨ÚŒ则t(a)•N(a)•‘˜•

•••h›以此叶片来说Œ从初始裂纹ˆ•1˜Í͉扩展

图• 曲线及方程

图– N(a)•a关系

到–•1•ÍÍ所需时间为‘’—•ÈŒ以后裂纹扩展速度很快\"

3 结果讨论

Á1 取初始裂纹为•1˜ÍÍ的依据是š工程上

一个可检测出的裂纹尺度一般为•1•*‘1•Í͈随检测仪器及技术的精确度而定‰›该叶片断口分析发现排汽边由孔洞缺陷引发的裂纹初始长度约为

•1˜ÍÍ\"

Â1 裂纹从孔洞缺陷萌生到•1˜ÍÍ长所需时

间现还不能计算ˆ目前国内外正处于研究探索阶段‰Œ根据高周疲劳裂纹萌生的试验观察Œ这段时间比较长Œ根据排汽边裂纹源区侧表面孔洞缺陷暴露处蹋陷表面有打磨痕迹Œ可以预测到裂纹萌生期在当年‘月•日大修后\"

Ã1 从计算结果对应该机运行条件Œ可以推测

裂纹是在当年—月中旬达到•1˜ÍÍŒ从•1˜ÍÍ扩展到–•1•ÍÍ共经历‘’—•ÈŒ由此可知Œ将来

’••’年第˜期

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•

俄制800MW机组锅炉燃烧器的研究

²ÅÓÅÁÒÃÈÏÎÔÈÅ¢ÏÉÌÅÒ¢ÕÒÎÅÒÓÏƲÕÓÓÉÁÎ2ÍÁÄÅ

˜••-·§ÅÎÅÒÁÔÉÎdzÅÔ

张 昀Œ庞开宇

ˆ国家电站燃烧工程技术研究中心Œ辽宁 沈阳 ‘‘••“”‰

摘要š为了掌握运行特性及改变设计煤种后的炉内工况Œ进行了绥中发电有限责任公司˜••-·机组锅炉的旋流燃烧器出口气流流场冷态模化!燃煤结渣特性热态试验及炉内流动!燃烧数值模拟的研究\"为˜••-·机组启动!运行提供依据\"关键词š燃烧›燃烧器›数值模拟

Abstract:©ÎÏÒÄÅÒÔÏÇÒÁÓÈÅÏÐÅÒÁÔÉÏÎÃÈÁÒÁÃÔÅÒÁÎÄÉÎ2ÆÕÒÎÁÃÅÏÐÅÒÁÔÉÏÎÃÏÎÄÉÔÉÏÎÓÁÆÔÅÒÔÈÅÃÈÁÎÇÅÏÆÄÅÓÉÎÅÄÃÏÁÌÒÁÎËŒÒÅ2ÐÔÇÓÅÁÒÃÈÅÓÏÎÔÈÅÃÏÏÌÓÔÁÔÅÍÏÄÅÌÉÎÇÏÆÁÉÒÆÌÏ×ÆÉÅÌÄÁÔÔÈÅÏÕÔÌÅÔÏÆÓ×ÉÒÌÉÎÇÆÌÏ×ÂÕÒÎÅÒŒÔÈÅÈÏÔÓÔÁÔÅÔÅÓÔÏÆÂÕÒÎÉÎÇÃÏÁÌÓÌÁÅÏÓÉÔÇÄÐÃÈÁÒÁÃÔÅÒÁÎÄÔÈÅÎÕÍÅÒÉÃÁÌÓÉÍÕÌÁÔÉÏÎÏÆÉÎ2ÆÕÒÎÁÃÅÆÌÏ×ÁÎÄÃÏÍÂÕÓÔÉÏÎÈÁÄÂÅÅÎÃÁÒÒÉÅÄÏÕÔÆÏÒ˜••-·ÇÅÎÅÒÁÔÉÎÇÓÅÔÏƳÕÉÚÈÏÎǧÅÎÅÒÁÔÉÏάÉÍÉÔÅĬÉÁÂÉÌÉÔÁÎÙŽ©ÔÐÒÏÖÉÄÅÓÁÂÁÓÉÓÆÏÒÔÈÅÓÔÁÒÔŒÏÐÅÒÁÔÉÏÎÏƘ••-·ÇÅÎÅÒÁÔÉÎÇÓÅÔŽÙ£ÏÍÐKeywords:£ÏÍÂÕÓÔÉÏΛ¢ÕÒÎÅÒ›®ÕÍÅÒÉÃÁ̳ÉÍÕÌÁÔÉÏÎ

»中图分类号½´«’’“Ž’“»文献标识码½¡»文章编号½‘••”•—™‘“ˆ’••’‰•˜•••••••”

1 锅炉设备简介

˜••-·汽轮发电机组的’–••Ô•È锅炉是俄

主蒸汽温度š•”•e

再热蒸汽入口压力š“1˜–-°Á再热蒸汽入口温度š’˜“e

再热蒸汽出口压力š“1–’-°Á再热蒸汽出口温度š•”•e给水温度š’’—e排烟温度š‘“”e锅炉效率š™’1“…

罗斯塔干罗格锅炉厂生产的超临界压力具有中间再热直流锅炉\"单炉膛´形布置Œ全悬吊结构Œ炉膛断面为矩形\"锅炉配有˜台平盘式中速磨煤机Œ直吹式制粉系统Œ锅炉有”˜只旋流燃烧器Œ分”层对冲布置在炉膛两侧Œ每层有‘’只燃烧器\"主要设计参数š

额定蒸发量š’–••Ô•È再热蒸汽量š’‘•‘1•Ô•È主蒸汽压力š’•1•‘-°Á

2 旋流燃烧器冷态模化试验研究

211 冷态模化试验目的与方法

通过冷态模化试验Œ研究燃烧器的空气动力场

在小修时应对末级易断叶片进行探伤Œ以避免带裂纹工作造成断裂的危险性\"

Ä1 由于未能提供断裂叶片所在级的进汽通道

»’½刘尚慈编1金属断裂与失效分析»-½1武汉š武汉水利电力

学院出版社Œ‘™˜—1‘’

»“½ˆ苏‰舒本柯•舒宾编1卢沛鎏译1汽轮机强度»-½1北京š

机械工业出版社Œ‘™˜•1—

»”½哈尔滨汽轮机厂研究所Œ南京工学院编1汽轮机强度计算

»-½1北京š水利电力出版社Œ‘™˜•1•

»•½中国航空研究院编1应力强度因子手册ˆ增订版‰»-½1北

数及每个通道蒸汽压力的变化Œ故所选择的应力比率为•Œ频率按照汽轮机转速“•••Ò•ÍÉÎ确定Œ如果能进一步提供上述数据可进一步修正计算结果\"

京š科学出版社Œ‘™™“1‘’

参考文献š

»‘½李红升Œ周承芳编1工程断裂力学»-½1大连š大连理工大

作者简介š

郑福民ˆ‘™•••‰Œ男Œ工程师Œ现从事火电厂金属监督工作\"

ˆ收稿日期 ’••’••”•’•‰

学出版社Œ‘™˜•1—