广东好彩1:【行業動態】某電廠汽輪機多處葉片斷裂,究其原因居然是腐蝕造成的?

广东好彩1网上投注 www.lvats.tw 作者:張元,碩士研究生,中國石油大學(華東)化學工程學院


在電廠的所有失效事故中,汽輪機葉片失效所占比例最大。疲勞斷裂是汽輪機葉片失效類型中最常見的一種。汽輪機葉片所處的工況條件及環境極為惡劣,主要表現在應力狀態、工作溫度、環境介質等方面。當葉片發生斷裂時,斷口往往出現在葉片中部和葉片根部。在工作過程中,汽輪機動葉片承受的是轉子旋轉時離心力引起的拉應力,蒸汽流壓力引起的彎曲應力和扭力;葉片受激振力作用會產生強迫振動,甚至引起共振,復雜的交變應力最終會導致葉片疲勞斷裂。汽輪機的每一級葉片工作溫度都不相同,第一級葉片所處的溫度最高(500℃以上),隨后由于蒸汽逐級作功,溫度逐級降低,至末級葉片會降到100℃以下,蒸汽在汽輪機運行中易在末級葉片處凝結成小水滴,若蒸汽內存在腐蝕性元素,會與水形成電解液,吸附在葉片表面,形成微電池,造成電化學腐蝕。這些局部腐蝕點將成為葉片的薄弱點,失效也往往從這里起源。


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圖1 汽輪機葉片斷裂形式


某電廠在汽輪機檢修過程中發現汽輪機末5級(共17級)多處葉片斷裂。斷裂汽輪機葉片如圖1所示,圖1a)為葉片從根部斷裂,圖1b)為葉片從中部斷裂。為分析葉片斷裂原因,筆者對斷裂葉片進行了檢驗與分析。


理化檢驗


宏觀分析

取4片汽輪機斷裂葉片進行分析,目視檢查發現其中3片葉片斷裂位于葉片根部,1片葉片斷裂位于葉片中部,將葉片根部斷裂的3片葉片分別命名為1,2,3號試樣,將葉片中部斷裂的葉片命名為4號試樣,4個試樣的斷口宏觀形貌如圖2所示。


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圖2 葉片斷口宏觀形貌


根據斷口形貌可將葉片斷面分為A,B,C3個區域,葉片斷面A區到B區較為平整,顏色從青黑色向青灰色過渡,判斷A區為斷裂源區;斷面B區存在貝殼狀花紋,可判斷B區為裂紋擴展區;斷面C區存在呈45°方向的剪切唇形貌,為瞬斷區典型特征;該4片斷裂汽輪機葉片的斷口均為典型的疲勞斷口,其中1號試樣斷口表面被白色物質覆蓋。


金相檢驗

對4號試樣進行金相檢驗,其顯微組織形貌如圖3所示,可見其顯微組織為回火索氏體,為正常顯微組織。


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圖3 葉片顯微組織形貌




斷口微觀分析

對1-4號試樣斷口表面進行掃描電鏡(SEM)分析,結果如圖4所示。


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圖4 斷口SEM形貌


可見1-3號試樣斷面上存在大量腐蝕產物;4號試樣斷裂源區存在大量腐蝕坑,有較多二次裂紋,并具有泥紋花樣。


斷口能譜分析

對1號試樣的斷口表面白色附著物及2~4號試樣的斷口表面進行能譜(EDS)分析,結果見圖5及表1,可見斷口表面存在鈉、氯、硫等腐蝕敏感元素。


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圖5 汽輪機葉片斷口的EDS分析位置和EDS譜


表1 汽輪機葉片斷口EDS分析結果(質量分數)%

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分析與討論

由金相檢驗結果可知,葉片材料的顯微組織為回火索氏體,為正常顯微組織;由宏觀分析可知,葉片斷面形貌可清晰地分為斷裂源區、裂紋擴展區和瞬斷區。裂紋擴展區存在貝殼狀花紋,瞬斷區呈45°方向的剪切唇形貌,為典型的疲勞斷口形貌;由SEM和EDS分析可知,斷面存在大量腐蝕產物,有較多二次裂紋,并具有泥紋花樣,存在鈉、氯、硫等腐蝕敏感元素,表明該汽輪機葉片斷裂屬于典型的腐蝕疲勞斷裂。


隨著過熱蒸汽的膨脹作功,末幾級葉片工作溫度逐漸降低(60~100℃),壓力逐漸減小,蒸汽在此處易凝結成小水滴,蒸汽環境中的Cl-,S2-,Na+等在液態水中濃縮聚集,形成電解液,被葉片金屬吸附在表面,從而形成微電池,葉片上產生局部點腐蝕,形成腐蝕疲勞源。汽輪機葉片承受巨大離心力引起的拉應力(靜應力)和蒸汽流的壓力作用產生的彎曲應力和扭力,同時激振力致使產生強迫振動甚至引起共振,使得汽輪機葉片承受的交變應力急劇增加。在上述周期性交變應力的作用下,葉片產生疲勞裂紋,裂紋逐步擴展,最終因強度不足而斷裂;一處葉片斷裂后,轉子動平衡遭到破壞,振動陡增,加之斷裂葉片的撞擊,加速了其余葉片的斷裂。


該汽輪機末5級葉片位于機組低壓加熱器的進汽口之間,且低壓加熱器未投入運行。在運行過程中蒸汽不可避免進入低壓加熱器進汽口,蒸汽在低壓加熱器的進汽口附近極易凝結成液態水,并伴隨著葉輪的旋轉,液態水同蒸汽一同作用于葉片表面,加劇動葉片汽蝕。為方便敘述,特將此現象類比我國古代灌溉工具水車命名為“水車”現象。汽輪機某些葉片經常處于類似于此類位置的加熱器或者閥門處,蒸汽不可避免地會在此類位置凝結成水,加劇了汽輪機葉片的汽蝕。


結論及建議


該汽輪機葉片斷裂屬于典型的腐蝕疲勞斷裂,蒸汽與Cl-,S2-,Na+等在葉片上產生局部點腐蝕,形成腐蝕疲勞源,同時因葉片存在離心力和蒸汽壓力等復雜的周期性交變應力,最終造成了汽輪機葉片的腐蝕疲勞斷裂。


建議加強水質的控制與監測,減少水中的腐蝕性離子;在運行過程中要避免急啟、急停和工況的大幅變化,盡量減小交變應力和機組振動。


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