汽轮机组10mw叶片断裂的原因分析

汽轮机组10mw叶片断裂的原因分析

1级动叶片断裂1.2-50.5发动机组1.2万多kmw，kw组运行1.1万多小时，振动增大，停止后检查发现叶片水孔断裂。叶片为一组，每组有5片，顶部周围带与叶片焊接相连。其中有4组叶片共计断裂了5片,即第一组第2片,第二组第3片,第三组第3片,第四组第2、4片,叶片损坏并将附近叶片打坏(如图1～3所示)。断裂叶片的材质为1Cr13。2试验与研究2.1化学成分试验按GB/T4336-2002检验,其化学成分见表1,符合标准要求。2.2力学工程性能的试验按GB/T228-2002检验,其力学工艺性能见表2,布氏硬度值偏高,伸长率、断面收缩率偏低,其他项目正常。2.3为混合材料测定二甲基混合物质按GB/T10561-2005检验,其非金属夹杂物分析见表3,符合标准要求。2.4粒度试验按GB6394-2002检验,晶粒度为6～7级,符合标准要求:平均晶粒度不粗于4级,并且不含有1级或更粗的晶粒。2.5叶片金相组织按GB/T13298-1991、GB/T13299-1991检验,动叶片金相组织为回火索氏体(如图4所示)。因该级为成组叶片,叶片与叶片之间在装配好后在叶片顶用围带焊接进行连接,焊缝金相组织熔为焊接铸态结构,熔合线附近为δ铁素体+马氏体,基体母材为回火索氏体(如图5所示)。2.6瞬断区的特征十级动叶片长260mm,从叶根算起断裂位置在60～80mm处。裂纹的起始位置从所断裂的5块叶片看均是从出气边向进气边扩展,断口扩展区以断裂源为核心在周期应力作用下向前扩展形成一簇弧形线条,此区占据断口大部分区域。随着剩余工作截面减小,应力逐渐增加,裂纹加速扩展,在裂纹扩展到临界尺寸,即失稳扩展所占面积不能适应所能承受的应力时出现瞬时破断区。由于载荷较稳定,看不到明显的放射区,只有剪切唇,且瞬断区也较小。由于叶片在旋转过程中不仅受到切向的变形,还有偏转一定角度的轴向变形,因此断裂叶片的瞬断区不在疲劳核心的正对面,而是偏离了一个角度。断裂表面经多次反复拉伸、压缩并摩擦使断口变得光滑像瓷质结构,呈细晶状,贝纹线清晰,呈现振动疲劳断口的特征(如图6,7所示)。围带断口检查:对围带断口纤维进行检查,发现手工电弧焊围带有虚焊现象,说明焊接工艺不良。2.7出气边充放电特征断口的扫描电镜分析是在JSM6300型扫描电子显微镜上进行,断裂源在出气边一侧,微观特征为解理平面和沿晶断裂特征形貌(见图8,9)。图10～13分别是疲劳源区和护层区附近的疲劳弧线,从弧线向距分析由于向距较小证明其振动频率不是很高;图14,15为瞬时破断区韧窝形貌。3分析与讨论3.1气流作用力十级动叶为5片一组,顶部围带与焊接叶片连接,叶片工作时作用在叶片上的力主要有:其一是透平高速旋转时叶片本身质量和围带产生的离心力,并由偏心拉伸产生的弯应力;其次是气流流过叶片产生的气流作用力。离心力是不变的,而气流作用力是变化的,叶片在这两种力作用下产生变形,迫使围带也产生变形,形式呈圆周波浪形,此时围带将产生一反弯距Ms和切向力Qs(见图16)。围带的存在,提高了叶片的刚性,当围带焊缝存在脆性相和虚焊时,在弯曲应力和切向应力的共同作用下,围带就会裂开。当围带开裂,则叶片的激振频率将会加大,叶片将在最大弯曲应力危险截面处、出气边一侧出现疲劳源,随着振动加大,裂纹逐渐扩展直至瞬时断裂。3.2宏观围带焊缝虚焊十级动叶片断裂源位于叶根和叶型交界处,即叶片的危险截面处。该处宏观围带焊缝存在虚焊现象,金相检查焊缝出现脆性δ铁素体相,造成围带焊缝脱焊开裂,也促使叶片激振频率加大,导致叶片在出气边一侧产生疲劳源,并扩展至瞬时破断。4相和虚焊现象(1)不良