Analysis for Blade Rupture of N25 Steam Turbine
Abstract: The blade in last stage of N25 steam turbine has ruptured during operation. According to analysis strictly, the reason of crack and rupture in the blade is found out. And the keep away step on operation and maintenance is given in detail.
Key Words: Turbine, Blade Rupture, Reason, Keep Away Step
前言
某电厂2号汽轮机为南京汽轮机厂生产，型号为N25—3.43—Ⅰ型中温中压冷凝式汽轮机。该机组于1999年9月投运，2000年9月7日下午12：50左右运行人员听到厂房有异音，就地检查机组运行无异音，但#1瓦振动明显有所增大（见表1），其它各瓦较正常，当时怀疑是由于油膜振荡引起#1瓦振动，对油温进行了调整，但振动仍没有减小。故在14：00降负荷至16MW，振动仍大，值长在14：20下令打闸停机。由于#1瓦振动明显大于其它各瓦，故当时怀疑#1瓦损坏，停机后对#1瓦进行了检查，良好，同时对其它各瓦进行了检查均正常，9月10日20：00又重新开机，当转速升到900r/min时，各瓦振动均在100um以上，并有清晰的金属摩擦声，当即打闸停机，于9月15日打开排汽缸检查，发现末级（第12级）叶片断裂，揭缸后发现末级叶片共有五片断裂，其它叶片已严重变形，同时发现第12级隔板70%的去湿环严重损坏和部分叶片动静之间有轻微摩擦。
各瓦随时间的垂直振动（表1） 单位： um
| 轴瓦 时间 | 1瓦 | 2瓦 | 3瓦 | 4瓦 |
| 12：00 | 33 | 22 | 18 | 18 |
| 12：50 | 54 | 25 | 20 | 25 |
| 13：00 | 64 | 25 | 26 | 15 |
1 情况简介
该机组的第12级为末级叶片，共有112片动叶片，叶片工作部分高度485mm，叶片节圆直径1720mm；叶片材质为2Cr13不锈钢，叶根为叉形叶根，叶根铆钉材质为25Cr2MoVA，末级叶片未装拉筋。同时该汽轮机低压加热器配有浮子式疏水器，听运行人员讲，该疏水器经常卡涩，造成低压加热器时常满水，并且水位较难调整和控制。事故发生后揭缸不但发现汽缸底部有大量积水，同时检查各段抽汽逆止门时发现五段抽汽翻板式逆止门门芯掉，从现场情况分析该逆止门损坏时间较长。
2 现场情况
2.1 叶片断裂情况
叶片断裂情况见图一，断裂的五片叶片集中在一起，#2、#3、#4、#5叶片断口在距叶顶约150~160mm处，#6叶片断口在距叶顶约320mm处，#1叶片距叶顶约150mm处开裂但未断且变形严重（注：#1叶片是从其它变形叶片中任意取的一片）。
2.2 叶片断口宏观分析
#6叶片断口断面粗糙，断口周围有明显的塑性变形，叶片中部放射区有明显的“人”字形放射花样，位于出汽侧的剪切唇上呈白亮色，接近金属光泽，进汽侧断口尤为粗糙，表面有较严重的氧化物覆盖。从“人”字形纹（面积占断口的1/2左右）可以确定它是疲劳区，这表明#6叶片所承受的应力较大，材料的断裂韧性值较高，而叶片进汽侧塑性变形量较大，其余部位相对较小，顺着“人”字形纹线尖端的发展方向可初步追溯到裂纹源位于断口的进汽侧。用肉眼可观察到#6断裂叶片的疲劳区又分为两个部分，断口进汽侧为凹凸不平的部分，并有腐蚀锈斑等痕迹，叶片的出汽侧一段是颗粒粗大部分，表面成黑色而有锈斑，这表明这一段是早已存在叶片上的裂纹。而叶片断口的中间部分是“人”字形瓷状断口，这是疲劳裂纹区，由于在运行中受到交变应力的作用下使该区域表面磨细成瓷状。另一部分为较光滑区，其上有疲劳的“人”字形纹线特征，这是受到较大激振力下，早期疲劳脆断的宏观标记[1]。#2～#5叶片断口较平整，且未发现有“人”字形纹线和腐蚀锈斑存在，断口均具有金属光泽，在靠近断口的排汽侧背弧边缘存在着一条狭长的剪切唇，这说明断裂是从进汽侧开始，向出汽侧扩展， #2～#5叶片断口的宏观特征表明它们基本上是在受到外力作用下一次性断裂的。
3 分析
3.1 材质分析
依据《电力部光谱导则》对叶片主要成份Cr进行了分析，均在正常范围内（见表2），因而可初步排除错选材料的可能。
表2
|
| #1 | #2 | #3 | #4 | #5 | #6 | 标准 | ||||
| Cr | 12.3 | 13.8 | 13.6 | 13.9 | 13.8 | 13.9 | 12.00～14.00 |
3.2 金相分析：
#6断裂叶片断口金相组织为回火索氏体加自由铁索体，存在网状晶界，同时对其做了能谱分析，分析后与金属基体能谱分析对比发现其Si、Al、S等元素的含量明显比金属基体的含量偏高，经判断认为黑色部分为夹杂物（图二）。
3.3 叶片断裂的原因
叶片断口金相组织为索氏体加自由铁索体，黑色的部分为夹杂物，横向呈球状而纵向呈棒状，并存在着网状晶界。从金相图可以看出虽然经过腐蚀夹杂物的面积有些扩大，但仍然可以看出叶片的夹杂物是相应严重的。有关文献把应力集中这样表述，“把结构形状的弯曲或不连续等，形状失去均匀性作为应力集中的起因也未尝不可”。对于无限大的平板或立体来说，只要不存在载荷状态集中和形状缓变或急变等部位，就不会产生明显的应力集中和应力峰值。然而，一旦出现破坏这种均匀性的缺口、空洞或材质不均匀等情况，就再也无法保持应力状态的均匀性，引起应力集中。这一点对于等长和等宽的平板或等截面等直径的棒也是同样的[2]。夹杂物存在于叶片中，犹如一个空洞，从以上描述可知，易引起应力集中，在受到较大的低频激振力作用下微孔连接产生裂纹很快导致叶片最终断裂。
4 处理
4.2 叶片
除了断裂叶片外，其它叶片均严重变形和产生裂纹，已无法正常使用，故决定返厂对第12级全部叶片进行更换；同时在厂家的建议下，考虑到进一步增加叶片动强度和提高叶片抗振能力，对第12级和第11级叶片安装松拉筋，松拉筋选用横剖型式，同时对第12级隔板去湿环整体进行了更换。
4.2 其它
该厂#1、#2汽轮机均为同一型号，为了防止以后发生类似事故，借鉴同类型汽轮机叶片断裂事故处理经验，有针对性的进行了如下处理：①对加热器疏水器更换成汽液两相流疏水器。②为了防止疏水不畅，对各段抽汽疏水节流孔板进行了清理疏通，在清理时发现节流孔板处有大量杂物，同时对节流孔进行了扩孔处理。③把五段抽汽疏水直接改接到凝汽器。
5 结论及防范措施
通过以上分析可得出如下结论：（1）#6叶片断裂的主要原因是叶片材料本身存在夹杂物，该夹杂物在叶片运行中成为叶片的疲劳源。（2）次要原因是由于低压加热器满水，发现不及时，造成汽轮机遭受水冲击，致使叶片承受比正常运行时高得多的交变应力，在周期载荷作用下，疲劳裂纹就会在应力集中处萌生。叶片一旦出现裂纹，在离心力、振动应力以及环境因素的共同作用下，裂纹会不断扩展，当裂纹扩展至临界裂纹尺寸时，导致疲劳断裂[3]。（3）其它末级叶片断裂和严重变形的原因，#6叶片在较大激振力作用下进汽侧首先开裂并导致最终断裂，断裂的该叶片在高速旋转汽轮机的作用下将其它叶片打断或撞击造成严重变形。
防范措施：（1）在日常运行中要严格执行运行规程，加强对加热器投运管理和运行监督，防止加热器满水。（2）结合大、小修，要对抽汽疏水节流孔进行检查，防止疏水不畅；同时各段抽汽逆止门也应作为一个检查重点。（3）汽轮机作为电厂一重要发电设备，出现异常后除要认真分析查找原因外，一定要严格执行规程，不能冒然行事。该厂事故发生后，没能在第一时间事故停机和在原因不清的情况下反复启停机组数次，最后造成了事故扩大。
在2005年9月大修时，#2汽轮机在各种工况下已连续运行5年时间，揭缸检查叶片、隔板完好无缺，表明处理措施得当，效果良好。
参考文献
[1]吴非文.火力发电厂高温金属运行[M].水利电力出版社.1979.
[2]刘志江，等.一台300MW汽轮机次末级叶片短裂损伤原因分析[J].中国电力，2000，33（6）：9～10.
[3]高淑文,等.热电厂叶片断裂事故分析[J].汽轮机技术,2005,47(3):235～236.
作者：cheng等
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