汽轮机末级叶片缺陷治理

张亚辉 ,何志德 ,周功林

摘要：窗体顶端

摘  要  本文介绍了阿拉贝拉机型末级叶片的一种故障模式，叶片自由式拉筋凸台在运行后出现结构性缺陷，材料断裂缺失，裂纹等。通过对该故障的研究，制定了现场治理措施，成功解决该问题，同时针对多电站多机组制定了后续检查维护策略，确保后续该类缺陷得以妥善处理，保证机组的安全稳定运行。 

窗体底端

关键词  半速汽轮机；末级叶片；拉筋凸台；裂纹；微动磨损；高周疲劳；平行度

000       引言要求开门见山，突出重点，实事求是引言应与结论相呼应，在引言中提出问题，结论中给出答案。最好不分段论述，不要插入图表及公式的推导。窗体顶端

某大型核电集团常规岛汽轮机采用阿拉贝拉机型，百万千瓦，冲动式机组。其中一电站首轮大修时发现低压转子末级叶片拉筋凸台存在材料缺失及裂纹的情况，后续同类电站反馈检查陆续发现该类缺陷。

1 背景

1.1 设备简介

低压转子带 10级动叶，中间对称布置，其中末级叶片为57 英寸的扭曲叶片，整级65片组成，圆弧枞树型叶根、叶身带拉筋凸台，分为背弧侧和内弧侧，叶顶无围带，叶片底部采用4只弹簧片定。叶片旋转时在离心力作用下发生扭转，从而相邻的叶片拉筋凸台接触，使散装的叶片整圈成组，降低叶片的动应力。设计上转速在200 r/min时，拉筋凸台开始接触。转速达400 r/min时拉筋凸台全部接触。内弧侧拉筋凸台工作面喷涂Cr硬化层，背弧侧表面喷钢丸硬化处理，但厂家装配过程，因间隙偏差而对拉筋凸台背弧侧进行修磨，没有进行喷钢丸操作。

1.2问题描述

多个电站在执行低压缸转子检修过程中，发现部分末级叶片背弧侧拉筋凸台存在材料缺失或者裂纹的情况，缺陷的形貌如图1所示。

图 1 低压转子末级叶片拉筋凸台缺陷形貌

2  缺陷原因分析

窗体底端

初步分析产生该现象的故障模式可能涉及设计、制造、安装偏差，叶片振动特性差异，运行工况偏差等，下面进行详细分析。

2.1  外观形貌检查

目前存在拉筋凸台裂纹和材料缺失的已有四家电站。查询了厂家制造完工报告，发现大部分损坏的叶片均和打磨存在关联性，对损伤叶片拉筋凸台端面检查，发现存在如下明显特征：

2.1.1  叶片背弧侧

（1）拉筋凸台工作面存在接触不均的情况，来回滑动摩擦痕迹，有不同颜色的磨损区，较重部位存在发黑现象，局部存在变形，详见图2-a；

（2）存在人工打磨的痕迹,且平面度，光洁度很差，直接影响拉筋凸台接触面积，详见图2-b；

（3）裂纹，基本从磨损最重的区域产生并扩展，最终断裂，产生材料缺失，详见图2-c；

a                  b                 c               

图2 缺陷叶片背弧接触打磨及裂纹产生扩展现象

（4）观察拉筋凸台存在断口的部位，断口上有较为平坦的断面，断面上有多条弯曲的线条，呈现明显的疲劳辉纹的特征[1] 。

2.1.2  叶片内弧侧

缺陷叶片凸台内弧侧工作面存在接触不均匀痕迹，有磨损氧化现象，1号圈注位置为严重磨损区域（颜色为黑色）、2号圈注区域为未磨损区域，3号圈注位置为轻度磨损区域（颜色为金属色），另边角涂层存在破损现象，详见图3。

图3 缺陷叶片内弧

2.2  缺陷叶片理化分析

根据缺陷叶片的特点，选取了3只典型叶片进行了理化分析，其中对2只拉筋凸台开裂叶片的叶根及拉筋凸台处分别取样进行了化学成分分析、室温拉伸试验、室温冲击试验、布氏硬度检查。

2.2.1理化分析过程

（1）宏观形貌检查，已在前述章节进行了分析，不在赘述；

（2）结果表明，叶片材料的化学成分，力学性能满足规范要求[2]；详见表1。

表1  缺陷叶片化学成分

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Ni	Nb	N
叶根	0.14	0.32	0.8	0.021	0.01	12.12	1.49	0.32	2.65	0.21	0.039
凸台	0.14	0.29	0.8	0.021	0.01	12.13	1.4	0.31	2.82	0.21	0.038

（3）缺陷叶片组织均匀性好，无晶粒粗大、偏析等现象，非金属夹杂物满足要求，金相组织检查的结果表明材料的冶金质量良好[3]；

（4）对叶片的凸台接触面进行微观电镜扫描分析，在严重磨损区域（表面颜色发黑）发现了金属粘着物，粘着物内部存在微裂纹。

（5）通过能谱分析，发现粘着物氧含量较高，其成分和叶片本身的成分相似，说明粘着物发生了氧化，这与微动磨损的特征相吻合，而典型的微动磨损“蚀斑”中均存在微裂纹[2]；

2.2.2  缺陷叶片理化分析小结

缺陷叶片的化学成分、力学性能和金相组织均满足要求，但是接触不均匀现象明显，局部应力过大导致存在塑性变形，人工打磨的叶片工作面粗糙度较大，表面参与应力大，裂纹起源于拉筋凸台工作面磨损严重区域，可见微动磨损形成的“蚀斑”，并有明显的高周疲劳扩展特征。

2.3  拉筋凸台检修数据对照检查

通过对拉筋凸台检修数据对比分析，发现几轮大修中数据趋势，特点基本一致，以一轮大修数据为例，存在以下普遍规律：

（1）叶片间隙基本满足要求，但普遍偏大，设计上整圈叶片平均间隙为0.6～1.8 mm，任意相邻两片间隙0.25～2.60 mm，且相邻叶片间隙不能为0。某大修数据如表4所示，偏差经分析认为主要是由于测量位置、状态差别引起，间隙数据均在设计余量范围内；

（2）为保证低压转子末级叶片拉筋凸台工作面的平行度，从而保证凸台接触均匀，设计上凸台工作面沿径向的加工角度偏差为2.77°±0.15°，根据该设计值可计算出公差引起的最大平行度偏差约为0.30 mm。现场针对拉筋凸台接触不均匀的现象，采用六点法测量拉筋凸台间隙，即从进汽侧到出汽侧轴向分成前、中、后三部分，从叶跟到叶顶分成上下两侧，测量叶片拉筋凸台间隙，经计算发现部分叶片平行度超出了设计公差，且缺陷叶片基本均存在平行度超标的现象。

2.4  拉筋凸台接触受力分析

末级叶片拉筋凸台的设计作用是控制末级叶片振动，但接触面积变小，振动阻尼变化，就会引起局部应力变大，若超出疲劳强度，将会引起裂纹或扩展，对拉筋凸台进行建模分析其不同接触面积下的受力情况。

2.4.1  接触面积模型设计

采用有限元分析软件，按照接触面积100%；50%；25%模型开展了计算和分析[2]：见图4。

图4 拉筋凸台接触模型

2.4.2  接触应力计算结果

100%理论设计模型的接触应力约200～250 MPa；50%工作面长度模型接触应力约200～250 MPa；25%工作面长度模型接触应力约794 MPa。在隐去该分割线的接触情况后，其余部位的接触应力最大在400～500 MPa 间。可见，随着拉筋凸台接触面积的减小，工作面的接触应力也在增加。如加上拉筋凸台接触面发生微动磨损，会降低材料的疲劳寿命，根据某核电站汽机叶片微动磨损开裂的经验反馈，微动磨损会引起疲劳强度降低1/3，存在开裂的风险。

2.5  机组运行工况对照

该类机型机组被应用在多加电站，最初并不是所有电站都存在该情况。为消除电站运行方式差别引入的问题，对多家电站进行了参数对比，发现各电厂汽轮机低压转子末级叶片功率相差不大，即末级叶片受蒸汽作用的影响相差不大。

表2  各家电厂汽机低压转子末级功率对比表

额定负荷	背压（kPa）	末级功率（kW）	排汽干度
A电站	5.88	34658	0.9
B电站	5.6	34689	0.9
C电站	3.6	21989	0.9
D电站	5.1	35347	0.904

2.6叶片的振动特性

叶片的振动特性若存在偏差，将会引入应力，促成微动磨损，高周疲劳的效应，所以对厂家叶片的振动特性进行了调查。并和原始设计厂进行对比，发现偏差控制在了0.5%以内，允许范围内，判断叶片频率特性合格。不存在单独叶片振动偏差引起拉筋凸台故障的模式[1]。

2.7 叶片制造安装过程调查分析

经过对结构分析，判断引起末级叶片拉筋凸台损坏的装配影响主要来自于两个方面：1）叶根弹簧装配不当，引起叶片拉筋摆动过大或者叶片振型改变导致拉筋凸台接触不佳损坏；2）叶片拉筋凸台装配控制不当，引起叶片拉筋凸台接触状态不佳。本节对低压转子末级叶片制造装配相关因素的影响进行了分析。

2.7.1 叶根弹簧装配情况检查

低压转子末级叶片根部采用侧向嵌入的枞树型安装结构，枞树型叶根底部安装了4组弹簧和扣条。根据国内电厂运行经验反馈，一旦枞树型根部固定出现异常，易使叶片频率发生变化。查阅厂家制造完工报告数据，未见异常。多基地大修拆卸检查，发现缺陷叶片的弹簧片状态良好，没有明显异常。分析认为，可以排除低压转子末级叶片根部安装不当引起叶片拉筋凸台损坏的可能性。

2.7.2 末级叶片拉筋凸台修配过程

根据制造厂反馈反馈，完成装配后的低压转子末级叶片在6点钟方向进行拉筋间隙检查。若拉筋间隙不满足要求（即拉筋间隙偏小），钳工将相应叶片拆下后，先用角磨机修磨，多次打磨、均匀下量，然后用千叶轮抛光，总的打磨量控制在0.5mm以内。过程看东汽的拉筋修配过程不符合设计要求的修配工艺，无法保证叶片拉筋凸台工作面加工角，相邻叶片拉筋凸台配合面会存在接触不均匀的现象，接触面占比小于25%时工作面接触应力较大，会超过材料屈服强度，同时修配后的凸台表面未进行喷丸，会留有机械加工残余应力，降低拉筋凸台工作寿命。

2.8 低压转子末级叶片拉筋损伤影响因素验证分析

建立低压转子末级叶片仿真模型，开展拉筋凸台工作面在不同间隙下和不同转速下的接触应力影响。末级叶片的叶身、叶根大部分区域采用六面体一阶单元，几何复杂区域采用四面体二阶单元。末级叶片的叶根和转子叶根槽设定接触边界，拉筋和相邻的拉筋设置接触边界。末级叶片拉筋凸台间隙平均为0.97 mm，局部最小为0.3 mm。仿真结果如下[3] ：

（1）47.5 r/min下叶片拉筋凸台工作面完全无接触，离心力引起的叶身应力较小；

（2）400 r/min下叶片拉筋凸台工作面接触，应力最大为50 MPa。

分析结果表明，50 r/min下末级叶片拉筋凸台无接触应力。拉筋凸台接触面积占比和接触角度对工作面接触应力影响很大，接触面积过小会使凸台工作面接触应力过大，发生塑性变形。

2.9原因总结

2.9.1  故障原因分析

结合多基地叶片缺陷情况，经过现场外观形貌检查、末级叶片理化分析、数据测量检查、叶片拉筋装配影响调查、汽机运行环境调查以及模拟计算分析等，多基地拉筋损坏事件的故障逻辑推理过程为：低压转子末级叶片拉筋凸台加工完成后，部分叶片拉筋凸台的装配间隙存在偏差，对于装配间隙超标的拉筋凸台进行了人工修配，修配的粗糙度、平面度、平行度远大于设计要求值，凸台工作面平面度，平行度影响最大，人工修配不佳会加速损坏，且修配的叶片没有进行喷钢丸处理，导致存在机械应力集中，影响使用寿命，另外部分间隙合格的叶片也存在平行度超标的情况。上述问题导致相邻的末级叶片拉筋凸台工作面配合不佳，接触不均匀，在离心力的作用下局部接触过重，运行过程中在变工况的蒸汽激振力的作用下，拉筋凸台配合工作面发生微动磨损，长时间运行累积后，产生高周疲劳，微动磨损区域萌生微裂纹，并进一步扩展导致材料脱落。

2.9.2  原因总结

通过上述综合分析，基本结论如下：

（1）群场低压转子末级叶片拉筋损坏的直接原因：叶片拉筋凸台微动磨损，高周疲劳扩展所致；

（2）群场低压转子末级叶片拉筋损坏的促成因素：部分叶片加工装配后，导致凸台间隙出现偏差，厂家安排人工打磨导致接触不均匀；装配平行度较差，导致接触面积不足，引起应力集中；

（3）群场低压转子末级叶片拉筋损坏的根本原因：低压转子末级叶片拉筋凸台装配控制不佳，引起拉筋凸台工作面接触不均匀，局部应力过大，另原始装配平行度较差，导致接触面积不足，引起应力集中，在蒸汽激振力的作用下接触表面发生微动磨损（促成因素需要持续收集数据分析），引起疲劳开裂。

3  治理措施主要控制工艺

主要措施包含缸内外观形貌检查，间隙平行度数据测量，拉筋凸台在役无损检测（PT、MT），叶片打磨修复，喷钢丸，配重方案确定等一系列治理工艺，下面就几项重要工艺进行明确。

3.1平行度不合格及间隙不合格叶片打磨处理工艺

（1）对平行度≥0.30mm的叶片，间隙为0的叶片进行打磨处理，注意打磨叶片的背弧侧，打磨过程控制相邻叶片平均间隙在标准范围内。

（2）平面度控制在≤0.03mm，最终使用平板或刀口尺进行验收，平板配合红单粉确保其接触均匀，刀口尺配合光源检查无漏光情况。

（3）平行度控制在≤0.15mm，通过叶根弹簧片固定叶片后，采用6点间隙测量法，通过偏差计算平行度；

（4）修磨后间隙：修磨过后的叶片间隙≥0.5mm，上限确保相邻平均间隙≤2.6mm

（5）注意事项：打磨量过大时，应分多次间隔打磨，中途需等待打磨面冷却；打磨后，确认平面度、平行度、间隙符合要求后，对打磨部位进行抛光处理，要求无肉眼可见刀纹。

3.2  裂纹及材料缺失叶片更换

（1）新叶片关注间隙偏差，若超标需要进行打磨处理，同时需要对打磨部位进行喷钢丸；

（2）更换叶片后需要对叶片进行整圈不平衡量配重处理，确保重力矩偏差满足振动控制标准。针对此开发了计算软件初步排序，同时工程师结合数据均布图进行微调，可有效满足多基地叶片更换的配重需求，目前在多台电站均已成功实施。

4  总结

历时两年的研究治理，目前阿拉贝拉57英寸叶片拉筋凸台缺陷问题原因，治理措施，后续维修策略均已相对明确，已针对性检查8台汽缸，后续需要对同类气缸进行反馈检查治理。确保机组消除安全隐患，长期安全稳定运行。

［1］ 杨晓洁．金属材料失效分析[M]．北京：化学工业出版社，2019．

［2］ 李音．台山#1 机组 LP2 末级叶片拉筋凸台问题原因分析报告[Z]．2020．

［3］ 车银辉．台山核电厂1号机组LP2低压转子末级叶片拉筋损坏根本原因分析[Z]．2020．