汽輪機(jī)組10mw葉片斷裂的原因分析

汽輪機(jī)組10mw葉片斷裂的原因分析

1級(jí)動(dòng)葉片斷裂1.2-50.5發(fā)動(dòng)機(jī)組1.2萬多kmw，kw組運(yùn)行1.1萬多小時(shí)，振動(dòng)增大，停止后檢查發(fā)現(xiàn)葉片水孔斷裂。葉片為一組，每組有5片，頂部周圍帶與葉片焊接相連。其中有4組葉片共計(jì)斷裂了5片,即第一組第2片,第二組第3片,第三組第3片,第四組第2、4片,葉片損壞并將附近葉片打壞(如圖1～3所示)。斷裂葉片的材質(zhì)為1Cr13。2試驗(yàn)與研究2.1化學(xué)成分試驗(yàn)按GB/T4336-2002檢驗(yàn),其化學(xué)成分見表1,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。2.2力學(xué)工程性能的試驗(yàn)按GB/T228-2002檢驗(yàn),其力學(xué)工藝性能見表2,布氏硬度值偏高,伸長(zhǎng)率、斷面收縮率偏低,其他項(xiàng)目正常。2.3為混合材料測(cè)定二甲基混合物質(zhì)按GB/T10561-2005檢驗(yàn),其非金屬夾雜物分析見表3,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。2.4粒度試驗(yàn)按GB6394-2002檢驗(yàn),晶粒度為6～7級(jí),符合標(biāo)準(zhǔn)要求:平均晶粒度不粗于4級(jí),并且不含有1級(jí)或更粗的晶粒。2.5葉片金相組織按GB/T13298-1991、GB/T13299-1991檢驗(yàn),動(dòng)葉片金相組織為回火索氏體(如圖4所示)。因該級(jí)為成組葉片,葉片與葉片之間在裝配好后在葉片頂用圍帶焊接進(jìn)行連接,焊縫金相組織熔為焊接鑄態(tài)結(jié)構(gòu),熔合線附近為δ鐵素體+馬氏體,基體母材為回火索氏體(如圖5所示)。2.6瞬斷區(qū)的特征十級(jí)動(dòng)葉片長(zhǎng)260mm,從葉根算起斷裂位置在60～80mm處。裂紋的起始位置從所斷裂的5塊葉片看均是從出氣邊向進(jìn)氣邊擴(kuò)展,斷口擴(kuò)展區(qū)以斷裂源為核心在周期應(yīng)力作用下向前擴(kuò)展形成一簇弧形線條,此區(qū)占據(jù)斷口大部分區(qū)域。隨著剩余工作截面減小,應(yīng)力逐漸增加,裂紋加速擴(kuò)展,在裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸,即失穩(wěn)擴(kuò)展所占面積不能適應(yīng)所能承受的應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)破斷區(qū)。由于載荷較穩(wěn)定,看不到明顯的放射區(qū),只有剪切唇,且瞬斷區(qū)也較小。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中不僅受到切向的變形,還有偏轉(zhuǎn)一定角度的軸向變形,因此斷裂葉片的瞬斷區(qū)不在疲勞核心的正對(duì)面,而是偏離了一個(gè)角度。斷裂表面經(jīng)多次反復(fù)拉伸、壓縮并摩擦使斷口變得光滑像瓷質(zhì)結(jié)構(gòu),呈細(xì)晶狀,貝紋線清晰,呈現(xiàn)振動(dòng)疲勞斷口的特征(如圖6,7所示)。圍帶斷口檢查:對(duì)圍帶斷口纖維進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)手工電弧焊圍帶有虛焊現(xiàn)象,說明焊接工藝不良。2.7出氣邊充放電特征斷口的掃描電鏡分析是在JSM6300型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行,斷裂源在出氣邊一側(cè),微觀特征為解理平面和沿晶斷裂特征形貌(見圖8,9)。圖10～13分別是疲勞源區(qū)和護(hù)層區(qū)附近的疲勞弧線,從弧線向距分析由于向距較小證明其振動(dòng)頻率不是很高;圖14,15為瞬時(shí)破斷區(qū)韌窩形貌。3分析與討論3.1氣流作用力十級(jí)動(dòng)葉為5片一組,頂部圍帶與焊接葉片連接,葉片工作時(shí)作用在葉片上的力主要有:其一是透平高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片本身質(zhì)量和圍帶產(chǎn)生的離心力,并由偏心拉伸產(chǎn)生的彎應(yīng)力;其次是氣流流過葉片產(chǎn)生的氣流作用力。離心力是不變的,而氣流作用力是變化的,葉片在這兩種力作用下產(chǎn)生變形,迫使圍帶也產(chǎn)生變形,形式呈圓周波浪形,此時(shí)圍帶將產(chǎn)生一反彎距Ms和切向力Qs(見圖16)。圍帶的存在,提高了葉片的剛性,當(dāng)圍帶焊縫存在脆性相和虛焊時(shí),在彎曲應(yīng)力和切向應(yīng)力的共同作用下,圍帶就會(huì)裂開。當(dāng)圍帶開裂,則葉片的激振頻率將會(huì)加大,葉片將在最大彎曲應(yīng)力危險(xiǎn)截面處、出氣邊一側(cè)出現(xiàn)疲勞源,隨著振動(dòng)加大,裂紋逐漸擴(kuò)展直至瞬時(shí)斷裂。3.2宏觀圍帶焊縫虛焊十級(jí)動(dòng)葉片斷裂源位于葉根和葉型交界處,即葉片的危險(xiǎn)截面處。該處宏觀圍帶焊縫存在虛焊現(xiàn)象,金相檢查焊縫出現(xiàn)脆性δ鐵素體相,造成圍帶焊縫脫焊開裂,也促使葉片激振頻率加大,導(dǎo)致葉片在出氣邊一側(cè)產(chǎn)生疲勞源,并擴(kuò)展至瞬時(shí)破斷。4相和虛焊現(xiàn)象(1)不良