阿爾斯通公司葉片根部形狀設(shè)計(jì)的改進(jìn)與開(kāi)發(fā)(翻譯稿)

1、1 阿爾斯通公司葉片根部形狀設(shè)計(jì)的改進(jìn)與開(kāi)發(fā)1.1 棕樹(shù)形葉根二十世紀(jì)六十年代中期到八十年代中期阿爾斯通公司的高、中壓缸最初幾級(jí)動(dòng)葉均用棕樹(shù)形葉根作為標(biāo)準(zhǔn)根部形狀。在此期間，葉根的形狀不斷得到改進(jìn)（見(jiàn)附錄1）。采用這種葉根，負(fù)荷得以在兩對(duì)棕樹(shù)葉形上分布，使葉根的大小，特別是軸向的尺寸盡可能緊湊，又不至于影響離心力的可靠傳遞。通過(guò)維持軸系和葉片材料不同的熱膨脹系數(shù)以及制造廠的允許偏差值，可以確保在穩(wěn)定運(yùn)行工況下負(fù)荷在兩對(duì)棕樹(shù)葉形上得到理想分布。有限元計(jì)算結(jié)果顯示上、下棕樹(shù)葉形之間的徑向差脹會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)運(yùn)行期間發(fā)生負(fù)荷傳遞。1.2 帶減重孔的棕樹(shù)形葉根為了適應(yīng)汽缸尺寸的不斷增大及由此產(chǎn)生的較大離心力

2、，在原棕樹(shù)形葉根設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上推出了一個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)，即增加了一個(gè)減重孔。這種設(shè)計(jì)被應(yīng)用在部分汽缸上（見(jiàn)附錄1）。該設(shè)計(jì)思想是為了減小葉根的離心力。瞬間有限元計(jì)算結(jié)果顯示增加減重孔后并不影響葉根的受熱。與原設(shè)計(jì)相比，兩對(duì)棕樹(shù)葉形之間的徑向差脹幾乎是相同的，但軸的葉槽的徑向差脹卻不同（見(jiàn)附錄2）。1.3 倒T形葉根自二十世紀(jì)八十年代中期以來(lái)汽機(jī)高、中壓缸一般都采用倒T形葉根設(shè)計(jì)（見(jiàn)附錄1）。該設(shè)計(jì)使瞬態(tài)運(yùn)行下的額外負(fù)荷得以可靠承受。這種設(shè)計(jì)的改良型可以用來(lái)更換原來(lái)棕樹(shù)形的葉根，特別適用于帶調(diào)節(jié)級(jí)葉輪的汽缸（見(jiàn)附錄3）。該形狀的葉根呈徑向分布，可以裝入原棕樹(shù)形的底部葉槽中。為此，需要重新加工軸的葉槽。2

3、. 受損情況2.1 高壓缸葉片受損情況1996年2月20日，一臺(tái)750MW的再熱型汽機(jī)的1、2號(hào)軸承振動(dòng)突然變大。1996年3月利用該機(jī)計(jì)劃停機(jī)的機(jī)會(huì)測(cè)量了振動(dòng)值，證實(shí)了起先的一個(gè)懷疑，即高壓缸的平衡狀態(tài)已發(fā)生根本性改變。隨后所進(jìn)行的內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)根部7片葉片斷裂，并且不見(jiàn)斷裂物。2.1.1 出事汽機(jī)介紹該臺(tái)汽機(jī)由一臺(tái)高壓缸、一臺(tái)中壓缸和兩臺(tái)低壓缸組成。高壓缸（見(jiàn)附錄4）為雙殼體帶嵌入內(nèi)缸設(shè)計(jì)。汽機(jī)調(diào)試日期：1983總運(yùn)行小時(shí)數(shù) 73928總啟動(dòng)次數(shù)1409上次高壓缸檢查1990上次大修后運(yùn)行小時(shí)數(shù)36272上次大修后啟動(dòng)次數(shù) 745高壓缸共有20級(jí)葉片。高壓轉(zhuǎn)子16級(jí)動(dòng)葉由棕樹(shù)形葉根固定，7

4、20級(jí)為倒T形葉根，在第1級(jí)動(dòng)葉的根部開(kāi)了兩個(gè)減重孔（見(jiàn)附錄5）。大軸材料：21CrMoV51116級(jí)動(dòng)葉材料X12CrNiWTi1613(wkv)720級(jí)動(dòng)葉材料X22CrMoV121第1級(jí)葉片根部運(yùn)行溫度525 C2.1.2 受損部位檢查結(jié)果第1級(jí)動(dòng)葉根部橫截面處7片葉片斷裂。裂紋貫穿進(jìn)氣邊的上部支持處到較低的那個(gè)減重孔（見(jiàn)附錄6/7）。裂紋的起始點(diǎn)與葉槽大軸支撐肩的受壓點(diǎn)不一致。在第1級(jí)動(dòng)葉的隨后2片葉片上也發(fā)現(xiàn)裂紋，其起始點(diǎn)與斷裂葉片相同。在進(jìn)汽邊斷裂葉片的下部支持處以及第1級(jí)動(dòng)葉隨后2片葉片上（見(jiàn)附錄6/8）發(fā)現(xiàn)裂紋和貫穿性裂紋。裂紋的起始點(diǎn)與大軸支持肩的受壓點(diǎn)一致。第2級(jí)動(dòng)葉解體后

5、發(fā)現(xiàn)4片葉片的下部支持處有裂紋和貫穿性裂紋。由于上部支持處完好無(wú)損，葉片仍被緊密地固定在轉(zhuǎn)子上。裂紋始于大軸支持肩的受壓點(diǎn)。第3級(jí)動(dòng)葉 在該級(jí)1片葉片的大軸支持肩的受壓點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)線狀痕跡，但尚不能明確歸為裂紋。2.2中壓缸葉片受損情況1997年11月利用一臺(tái)440MW再熱型汽機(jī)計(jì)劃停機(jī)的機(jī)會(huì),對(duì)該臺(tái)汽機(jī)的中壓缸進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)第2級(jí)動(dòng)葉有1片葉片不見(jiàn)了。于是決定開(kāi)缸檢查。2.2.1 該臺(tái)440MW再熱型汽機(jī)由一臺(tái)高壓缸、一臺(tái)中壓缸和兩臺(tái)低壓缸組成（見(jiàn)附錄9）。其中壓缸部分為法蘭連接單殼體設(shè)計(jì)。汽機(jī)調(diào)試日期：1982總運(yùn)行小時(shí)數(shù) 78000總啟動(dòng)次數(shù)450上次中壓缸檢查1993上次大修后運(yùn)行

6、小時(shí)數(shù)19000上次大修后啟動(dòng)次數(shù) 135該單流中壓缸有12級(jí)葉片，所有動(dòng)葉均固定在棕樹(shù)形葉根上，其中第1、2級(jí)動(dòng)葉開(kāi)有減重孔（見(jiàn)附錄10）。大軸材料：21CrMoV51115級(jí)動(dòng)葉材料X12CrNiWTi1613（wkv）612級(jí)動(dòng)葉材料X22CrMoV121第1級(jí)葉根運(yùn)行溫度：528 C第2級(jí)葉根運(yùn)行溫度：510 C2.2.2 受損部位檢查結(jié)果第1級(jí)在95片葉片中有一片從上部支持處半徑范圍到減重孔存在裂紋。在下部支持處無(wú)磨損性裂紋。第2級(jí)有一片葉片葉根處損壞。裂紋貫穿上部支持處進(jìn)汽邊到較低一個(gè)減重孔。損壞的葉片在下部支持處邊緣的磨損性裂紋，其深度達(dá)0.4mm。95片葉片中有58片葉片從上部

7、支持處半徑范圍到減重孔存在長(zhǎng)度約1mm的裂紋。3. 受損情況評(píng)估下面以750MW汽機(jī)高壓缸葉片的受損情況為例作出評(píng)估。中壓缸葉片的受損情況評(píng)估的結(jié)果與高壓缸葉片是相似的。3.1 金相學(xué)分析所拍攝的葉片半徑范圍（附錄11）的裂紋起始點(diǎn)顯微照片顯示晶間缺陷， 并且在晶粒交界處有凹穴形成。 這種蠕變斷裂破壞對(duì)于運(yùn)行了74000小時(shí)的設(shè)備來(lái)說(shuō)是不同尋常的。葉根邊緣（附錄12）的斷層線條（slide lines）表明加工葉根時(shí)造成較大的變形，產(chǎn)生了較高的內(nèi)部應(yīng)力，由此進(jìn)一步縮短了工作壽命。在上、下部支持處表面可見(jiàn)微振磨損。尤其是下部葉根處明顯的微振磨損及受壓點(diǎn)表明預(yù)先受到了損害。 結(jié)構(gòu)檢查發(fā)現(xiàn)在受破壞的

8、支持表面邊緣處的凹穴下有初裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致貫穿性裂紋。初始的微振磨損裂紋是由表面壓力、刮磨和50Hz轉(zhuǎn)動(dòng)力造成的橫晶振動(dòng)裂紋。一般而言，裂紋沿轉(zhuǎn)動(dòng)方 向45°以下分布，至大約0.1mm的深度。 裂紋深度越深， 所受表面壓力就越小。啟動(dòng)和停機(jī)期間，裂紋在晶間擴(kuò)大（類似低周疲勞）。除了微振磨損的證據(jù)很明顯以外，附錄13/14顯示明顯的凹穴，這種凹穴是受葉片后座的壓力以及離心力的作用而形成的。 葉片表面下側(cè)大片磨光的區(qū)域清楚地表明這些作用力一直持續(xù)到葉片改造時(shí)為止。3.2 缺陷形成的過(guò)程根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的情況以及金相分析, 可假設(shè)有兩種不同的缺陷形成過(guò)程,一種與材料(蠕變斷裂)和設(shè)計(jì)(減重孔處的凹

9、口應(yīng)力),另一種與結(jié)構(gòu)形狀(微振磨損) 有關(guān)。 材料運(yùn)用有限元分析方法, 進(jìn)行有減重孔和無(wú)減重孔兩種情況下的應(yīng)力計(jì)算,以便對(duì)蠕變斷裂壽命進(jìn)行量化。附錄15有減重孔的計(jì)算結(jié)果顯示，至上部支持段的過(guò)渡段半徑范圍內(nèi)的凹口應(yīng)力為300N/mm2。如果附錄16中總的凹口應(yīng)力值的設(shè)定額定溫度條件為530°C，則可達(dá)到的最小蠕變斷裂壽命小時(shí)為40,000小時(shí)，蠕變?nèi)毕荽蟾乓彩浅霈F(xiàn)在這個(gè)時(shí)候。如果凹口應(yīng)力值定得較寬，則工作壽命可達(dá)350，000小時(shí)。這些結(jié)果說(shuō)明隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生脆化，從而在凹口處引起蠕變斷裂，這是一些奧氏體鋼材料所固有的問(wèn)題，而且廣為人知。根據(jù)在戶內(nèi)進(jìn)行的長(zhǎng)時(shí)間蠕變斷裂試驗(yàn)結(jié)果，

10、我們知道奧氏體鋼材料X12CrNiWTi1613的一些熔化物，在500°C650°C的溫度范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)引起凹口處的脆化，由此降低了材料的張馳能力。這一現(xiàn)象尤其會(huì)在高熱-冷固化（或高蠕變強(qiáng)度）的情況下發(fā)生。溫度在520°C時(shí)獲得值的比較（蠕變斷裂最小值）表明凹口脆化的材料奧氏體特性明顯變?。ǜ戒?7）。由于脆化在凹口處引起蠕變斷裂的影響同樣是很明顯的，因?yàn)殚_(kāi)裂葉片比其他葉片的硬度大，而且其他葉片只是在頸部截面處有小的初裂紋?；瘜W(xué)成分和物理特性值全部符合規(guī)范。檢查結(jié)果顯示由于橫截面處長(zhǎng)期受到凹口脆化引起的高應(yīng)力作用，造成蠕變斷裂破壞。 葉片設(shè)計(jì)附錄8中源自葉根

11、支持處并延伸至貫穿性裂紋的這種缺陷對(duì)于帶調(diào)節(jié)級(jí)葉輪的汽輪機(jī)而言是比較常見(jiàn)的。八十年代所作的研究表明那時(shí)的葉片設(shè)計(jì)，基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，只考慮了葉片在工作壽命期間耐受離心力和動(dòng)態(tài)蒸汽力的影響，其實(shí)葉片還受到其他負(fù)載力的影響，尤其是啟動(dòng)期間以及氣輪機(jī)負(fù)荷變化引起蒸汽溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。不帶調(diào)節(jié)級(jí)葉輪的汽機(jī)中該種類型的裂紋缺陷是在本報(bào)告中這臺(tái)750MW高壓缸上首次發(fā)現(xiàn)的。附錄18中的其他應(yīng)力有：·因汽缸中蒸汽溫度變化引起熱膨脹而在大軸支持肩和棕樹(shù)形葉片之間產(chǎn)生相對(duì)軸向位移。·上部大軸支持肩朝棕樹(shù)形葉片方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成局部表面壓力較高。·大軸由于自身的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)造成彎曲，

12、引起大軸支持肩和棕樹(shù)形葉片之間的相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)。·（不理解原文意思，未譯）·由于受到瞬間溫度變化的影響，而且材料的膨脹系數(shù)不同，引起轉(zhuǎn)子和葉根的徑向差脹，造成離心力在兩對(duì)葉片間分布不均勻。附錄19顯示了徑向差脹對(duì)負(fù)載分布的影響，60%的負(fù)載分布在上部，40%分布在下部。使用有限元計(jì)算方法所作廣泛研究得出的結(jié)果顯示，在瞬間運(yùn)行期間至少在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)施加上述負(fù)載，則葉根所受局部表面壓力值接近材料的屈服點(diǎn)。 由于啟動(dòng)及停機(jī)期間小的微振磨損疲勞初裂紋的低周疲勞，受壓表面的相對(duì)位移可擴(kuò)展到晶體間。所提到的負(fù)載情況是不可避免的，因?yàn)樗麄兣c汽輪機(jī)的運(yùn)行有關(guān)。為了減少對(duì)葉片壽命的影響，葉根的

13、幾何形狀被改進(jìn)為H形，這樣就可較為安全的承受額外的負(fù)載。由此，自1985年以來(lái)，高、中壓缸的葉根一般被設(shè)計(jì)為倒T形。附錄20將倒T形葉根與棕樹(shù)形葉根比較，以顯示其優(yōu)勢(shì)：·只有一對(duì)鋸齒葉片，負(fù)載分布清楚。·頂部支持鋸齒葉片遠(yuǎn)離大軸表面，因此受額外瞬間負(fù)載的影響就較小。·在葉片鋸齒的支持表面上開(kāi)一個(gè)凹口。該凹口使裂紋開(kāi)始形成區(qū)域的局部最大應(yīng)力得以明顯減少（附錄21.1、21.2）。·安裝葉片時(shí)采用較軟的支座。新近引入的這種葉片較軟支座大大地減少了汽機(jī)啟動(dòng)期間施加在葉根上的壓力。 在此以前，支座的材料是彈簧鋼板。 支座與葉片表面的整個(gè)下側(cè)接觸，這樣就會(huì)在啟動(dòng)運(yùn)

14、行期間因快速暖機(jī)，使葉片受到較大應(yīng)力。 用兩條辦法可以大大減少這一壓力。葉根的下側(cè)作為支持表面，只有兩片薄薄的齒刃。 在防結(jié)垢鋼板條和轉(zhuǎn)子葉槽底部之間放兩層粘膠帶，運(yùn)行期間粘膠帶就會(huì)熔化，形成空隙。在葉根支座上所實(shí)施的改進(jìn)，是以多年的帶調(diào)節(jié)級(jí)汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。4.措施1996年發(fā)現(xiàn)首例葉片損壞后,即對(duì)荷蘭和德國(guó)的所有相關(guān)的ABB汽輪機(jī)進(jìn)行了裂紋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(蠕變斷裂及微振磨損)。世界其他地方的設(shè)備也將相繼得到檢查和改進(jìn)。蠕變斷裂應(yīng)力引起的裂紋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括以下因素：·葉根最窄截面的凹口應(yīng)力大小。·Wk變形量大的奧氏體材料。·減重孔引起的截面減少和凹口壓力。微

15、振磨損引起的裂紋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括以下因素：·啟動(dòng)周期數(shù)。·帶調(diào)節(jié)級(jí)的情況下負(fù)荷變化引起的熱應(yīng)力。·葉片支座和凹口。4.1 蠕變斷裂應(yīng)力引起的處裂紋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估根據(jù)計(jì)算出的凹口應(yīng)力，并考慮脆化可能引起的蠕變斷裂，可建立蠕變斷裂壽命與運(yùn)行壽命之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。建議：如果得出高風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估結(jié)論，則應(yīng)在下一次大修期間更換有問(wèn)題的那一排葉片。根據(jù)所受應(yīng)力和溫度，受影響的動(dòng)葉片有23排。4.2 微振磨損引起的初裂紋評(píng)估在評(píng)估啟動(dòng)和負(fù)荷變化期間與支座等級(jí)有關(guān)的微振磨損和熱相對(duì)位移的可能性時(shí), 未見(jiàn)其與周波數(shù)有何精確聯(lián)系，由于材料受到破壞，表面強(qiáng)度因而受到影響。建議：風(fēng)險(xiǎn)高的頭兩級(jí)葉片應(yīng)在下

16、次大修期間拆下，進(jìn)行葉片棕樹(shù)形處的裂紋試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)有初裂紋，則應(yīng)擴(kuò)大葉片的檢查范圍。檢查葉片時(shí)受損的葉片必須予以更換。頭23級(jí)動(dòng)葉宜更換倒T形葉根。新的葉片均為預(yù)扭安裝，這樣葉裙就可互為支撐，避免了中聯(lián)門(mén)閥門(mén)安全試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷受到限制。為了謹(jǐn)慎起見(jiàn)，可以拆下下幾級(jí)的動(dòng)葉，檢查裂紋。如果未發(fā)現(xiàn)裂紋，應(yīng)在老的葉片上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)一個(gè)凹口，并重新安裝在較軟支座上。附錄22顯示了老的葉片和改裝了倒T形葉根的新葉片在設(shè)計(jì)上的比較。4.3 在其他電廠的發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)初裂紋的風(fēng)險(xiǎn)高的電廠,僅發(fā)現(xiàn)一處因蠕變斷裂造成此類裂紋，裂紋從上部支持處一直到高壓缸第一級(jí)動(dòng)葉減重孔的半徑范圍內(nèi)。除此之外，未發(fā)現(xiàn)其它因蠕變斷裂引起的初裂紋。高、中壓缸的13級(jí)葉根下部支持處有幾處發(fā)現(xiàn)微振磨損初裂紋。4.4 所實(shí)施的改進(jìn)附錄23列出了迄今為止所實(shí)施的改進(jìn)。5.結(jié)論對(duì)1996年一個(gè)高壓缸葉片事故和1997年一個(gè)中壓缸葉片事故所作調(diào)查后得出