國產(chǎn)3#燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂原因分析

國產(chǎn)3#燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂原因分析

1第二次事故結(jié)果深圳明月灣燃料公司的3#收割機(jī)于1991年6月22日開始運(yùn)營，第三級(jí)葉片發(fā)生了三次破裂。前二次葉片事故分別發(fā)生于1995年7月17日和1996年4月15日。第一次事故前,運(yùn)行18500h,點(diǎn)火啟動(dòng)1307次,跳閘128次,折合當(dāng)量運(yùn)行38792h;第二次事故前,運(yùn)行僅3150h。在第二次事故以后,第3級(jí)葉片全部換裝上由EGT—ALSTHOM公司提供的葉片。第三次事故前,運(yùn)行8206.9h,點(diǎn)火起動(dòng)689次,跳閘59次,當(dāng)量運(yùn)行18598.9h。該葉片的使用壽命均與制造廠規(guī)定64000h(當(dāng)量)相差甚遠(yuǎn)。在1996.4.15～1997.12.9這段運(yùn)行期間,機(jī)組曾發(fā)生二次較大的振動(dòng),均采用加平衡質(zhì)量消除而并未揭缸檢查。第一次劇烈振動(dòng)于1996年9月,在1瓦處轉(zhuǎn)子軸端法蘭加重205g(360°)和215g(335°);第二次于1997年7月7日至8日,在基本負(fù)荷下1瓦振動(dòng)接近報(bào)警,加重200g(51°)、。1997年11月1日臨時(shí)停機(jī),檢修人員曾進(jìn)入尾部煙道從排氣導(dǎo)流口,看到第三級(jí)有二個(gè)葉片的圍帶在出氣側(cè)的小角斷落(由于視角限制,看不到圍帶中部)。2第1次振動(dòng)大的原因(1)在燃機(jī)和壓氣機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的傳扭軸壓氣機(jī)側(cè)有二個(gè)螺栓頭(帶螺母)斷裂(圖1、2),其中一個(gè)卡在原位,另一個(gè)已經(jīng)飛脫,未見殘骸,它不斷地撞擊、研磨中間軸、壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子端面,直到被研磨成細(xì)金屬顆粒通過間隙進(jìn)入燃機(jī)通流部分。這應(yīng)該是機(jī)組1996年9月第1次振動(dòng)大的原因。(3)檢查和調(diào)查表明,該級(jí)JCAA和EILM不是同一批生產(chǎn)的葉片,并且是較早期的未改進(jìn)的葉片。該級(jí)葉片由二種組成,一種45片的制造記號(hào)為JCAA,另一種47片制造記號(hào)為EILM。對(duì)圍帶及其硬質(zhì)合金塊厚度測(cè)量,JCAA葉片硬質(zhì)合金和圍帶的厚度δ1、δ4(圖14)分別為2.5mm和2.8mm,而EILM葉片的則為2.8mm和3.0mm。測(cè)量該級(jí)葉片的工作高度為279.6mm,與理論高度280mm符合,說明沒有發(fā)生蠕變。在葉片斷落之前一星期,曾清洗葉片,斷葉后葉片表面結(jié)垢較薄。4個(gè)斷葉片的斷口形貌可分為二類,32號(hào)、33號(hào)、34號(hào)斷口新鮮,呈金屬光澤;而35號(hào)斷口出氣側(cè)呈藍(lán)黑色,為老斷口即主斷口(圖10)。葉根出氣側(cè)外表面有EGT標(biāo)志,EILM為EGT刻字,JCAA為EGT鑄字,四個(gè)斷葉中35號(hào)、34號(hào)、33號(hào)為EILM,32號(hào)為JCAA。3葉片表面、切割、材料理化檢驗(yàn)3.1小裂紋33號(hào)葉片腐蝕(1)葉片表面普遍存在腐蝕坑。(2)局部腐蝕嚴(yán)重的葉型表面呈現(xiàn)沿晶的腐蝕溝槽。(3)發(fā)現(xiàn)小裂紋,按性質(zhì)可分為三類:與主斷口平行的小裂紋35號(hào)葉片,裂紋長12mm。腐蝕嚴(yán)重處產(chǎn)生的小裂紋33號(hào)葉片出氣邊的小裂紋,長約2mm,距型底160mm;33號(hào)葉片出氣邊腐蝕坑中的小裂紋;4號(hào)葉片圍帶腐蝕坑中的小裂紋。因撞擊產(chǎn)生的小裂紋32號(hào)葉片進(jìn)氣邊小裂紋,裂紋長度3mm,距型底169mm。裂紋正中的背弧處有一個(gè)撞擊坑;4號(hào)葉片圍帶上氣封片的撞擊小裂紋。(4)圍帶上的硬質(zhì)合金塊具有較好的抗腐蝕能力3.2材料的結(jié)構(gòu)和組織從葉片的近型底和近斷口處取橫向金相試樣,檢查葉片材料的金相組織;從裂紋和腐蝕坑處取樣,檢查裂紋的特征。(1)葉片材料具有很發(fā)達(dá)的樹枝晶狀鑄造結(jié)構(gòu),厚度越厚則枝晶越發(fā)達(dá);斷口附近的出氣邊厚度薄,呈等軸晶結(jié)構(gòu)。(2)35號(hào)和33號(hào)葉片(EILM)的近斷口剖面存在較嚴(yán)重的枝間疏松;而近葉型底處剖面也存在枝間疏松,但程度明顯比前者輕。32號(hào)葉片(JCAA)的近斷口剖面和近葉根剖面上均沒有枝間疏松。(3)32號(hào)、33號(hào)、35號(hào)葉片材料的金相組織均為γ固溶體+細(xì)小彌散分布的γ′相+晶界上的MC型一次碳化物+晶界上細(xì)小鏈狀M23C6型碳化物,未發(fā)現(xiàn)異常組織和過熱組織。(4)腐蝕坑處已產(chǎn)生沿晶腐蝕。腐蝕小裂紋的走向是沿晶型的;撞擊小裂紋的走向也是沿晶的。因此,僅根據(jù)裂紋走向或斷口的沿晶特征判斷斷裂性質(zhì)是由腐蝕引起的判據(jù)不是唯一的。(5)4號(hào)葉片圍帶上的硬質(zhì)合金片存在裂紋和掉塊等缺陷。鑒于硬質(zhì)合金塊沒有受腐蝕和受撞擊特征,這類缺陷可能與制造方面有關(guān)。3.3裂裂斷口的宏觀形態(tài)用放大鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口分析。(1)32號(hào)、33號(hào)、35號(hào)葉片斷口的宏觀形貌35號(hào)葉片斷口的出氣側(cè)斷面呈藍(lán)黑色,表面有沉積物;進(jìn)氣側(cè)與32號(hào)和33號(hào)葉片的整個(gè)斷口呈新鮮的金屬光澤,表面無沉積物。因此,可判斷主斷口為35號(hào)葉片斷口,裂紋從出氣邊萌生,然后向進(jìn)氣邊擴(kuò)展,裂紋逐漸擴(kuò)展區(qū)的長度為37mm,然后發(fā)生瞬時(shí)斷裂,其沖擊力使34號(hào)、33號(hào)和32號(hào)葉片瞬時(shí)斷裂。35號(hào)葉片主斷口的開裂區(qū)具有隱約的貝殼紋和沿晶及穿晶混合特征。裂紋逐漸擴(kuò)展區(qū)的大部分?jǐn)嗝娴臄嗔烟卣鞒恃鼐嗔?即冰糖塊花樣)在裂紋逐漸擴(kuò)展區(qū)上,距出氣邊約4mm處發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞條紋,距出氣邊32～37mm范圍存在許多典型的穿晶疲勞條紋。(2)35號(hào)葉片斷口的瞬時(shí)斷裂區(qū)的低倍形態(tài)為樹枝晶間斷裂,微觀斷裂形態(tài)為沿晶斷裂和許多二次沿晶裂紋。32號(hào)和33號(hào)葉片斷口的宏觀和微觀形貌與35號(hào)葉片斷口的瞬時(shí)斷裂區(qū)相同:宏觀為枝間斷裂;微觀為沿晶斷裂和二次沿晶裂紋。這種現(xiàn)象表明:對(duì)這批葉片,僅憑斷口上的沿晶斷裂特征難以確定斷裂的腐蝕性質(zhì)。35號(hào)和33號(hào)葉片斷口中部存在典型的疏松缺陷,見圖11和12。3.4硬度試驗(yàn)對(duì)近斷口和近葉型底的葉片材料進(jìn)行維氏硬度測(cè)量,結(jié)果列于表1,未見異常。3.5葉片化學(xué)成分測(cè)定第3級(jí)動(dòng)葉的材料為Udimet500,從35號(hào)和32號(hào)葉片的近葉根處取樣,進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試,結(jié)果列于表2,化學(xué)成分符合要求。3.6葉的垢的x射線能譜分析和化學(xué)成分對(duì)第二級(jí)靜葉、動(dòng)葉的垢,第三級(jí)靜葉、動(dòng)葉的垢進(jìn)行X射線能譜分析(EDAX),垢的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果列于表3。垢中含有較高的S、Na等元素,垢具有侵蝕性。3.7葉片斷口質(zhì)量(1)EILM35號(hào)、33號(hào)葉片材料存在樹枝晶間疏松,而在JCAA32號(hào)上沒有。這類缺陷是不允許存在的。它反映這批葉片在冶煉和鑄造方面的質(zhì)量問題。(2)葉片圍帶上的硬質(zhì)合金塊存在裂紋。在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過程,存在硬質(zhì)合金塊掉塊和圍帶局部斷落現(xiàn)象。(3)葉片上的垢含有較高的S、Na等元素,垢具有侵蝕性。(4)EILM35號(hào)葉片斷口為主斷口。裂紋從出氣邊萌生,然后向進(jìn)氣邊擴(kuò)展,其斷裂性質(zhì)屬于腐蝕疲勞損壞。4圍帶斷裂對(duì)葉片振動(dòng)的影響(1)該級(jí)葉片的事故特點(diǎn)是圍帶斷裂在前(1997年7月軸系振動(dòng)大,11月1日發(fā)現(xiàn)圍帶出氣側(cè)掉塊),葉片型線部分?jǐn)嗔言诤?。圍帶是葉片的一部分,是葉片提高自身固有頻率的重要結(jié)構(gòu),它的損傷,特別是有規(guī)律的斷裂損傷,使葉片固有頻率下降,導(dǎo)致葉片疲勞損壞。該級(jí)事故葉片的圍帶薄弱,硬質(zhì)合金塊小,而相對(duì)來說,JCAN葉片增加了圍帶厚度,GE葉片又加大硬質(zhì)合金塊(圖15)的尺寸,做了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)。(2)EILM葉片材質(zhì)存在枝間疏松、圍帶上硬質(zhì)合金塊存在裂紋等制造缺陷。(3)在圍帶上的硬質(zhì)合金塊脫落之后,擊掉了圍帶上的氣封片,削弱圍帶的徑向剛度,并且,在葉片扭轉(zhuǎn)恢復(fù)力(由離心力引起)作用下,圍帶之間的接觸部位改變,從而引起如圖4上的圍帶破壞形態(tài)。其斷裂過程如圖16所示。(4)由于圍帶斷裂,破壞了原來全級(jí)葉片的整圈聯(lián)接結(jié)構(gòu),變成單個(gè)葉片或葉片組(由有限數(shù)目的葉片組成),改變了原設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,從而降低葉片的耐振強(qiáng)度并降低了燃?xì)廨啓C(jī)的效率,增大葉片的動(dòng)應(yīng)力。對(duì)由三個(gè)葉片構(gòu)成的葉片組的靜振動(dòng)測(cè)量,在1000Hz以下的頻譜示于圖17。B0振型的頻率為762Hz,由于葉片組內(nèi)的葉片數(shù)目不同,B0型振動(dòng)頻率范圍可能與k=8的諧波激振力頻率接近或重合,以及在帶負(fù)荷運(yùn)行和起停過程中葉片承受的動(dòng)應(yīng)力要比整圈聯(lián)接時(shí)大得多,加上在高溫燃?xì)饨橘|(zhì)堿金屬硫酸鹽對(duì)葉片材料腐蝕的共同作用,導(dǎo)致在葉型中部斷裂,事故擴(kuò)大。5葉片材質(zhì)和圍帶結(jié)構(gòu)該級(jí)葉片中部的斷裂損壞性質(zhì)屬于腐蝕疲勞損壞。損壞的主要原因是:1.葉片圍帶上的硬質(zhì)合金塊存在裂紋和在運(yùn)行中斷落,標(biāo)記為EILM的葉片材質(zhì)存在不允許的枝間疏松缺陷;2.葉片的圍帶結(jié)構(gòu)薄弱,其上的硬質(zhì)合金塊小。3.燃用輕柴油中的S化物和海邊空氣中Na離