某電廠汽輪機(jī)低壓缸隔板斷裂失效原因分析

劉金狀

（廣州粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣東廣州 510080）

某電廠汽輪機(jī)低壓缸隔板斷裂失效原因分析

劉金狀

（廣州粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣東廣州 510080）

對(duì)某火力發(fā)電廠斷裂的汽輪機(jī)組鑄鐵隔板進(jìn)行了金相組織觀察、硬度測(cè)試和機(jī)械結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明隔板的斷裂主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起的應(yīng)力集中造成的。同時(shí)，對(duì)該鑄件的焊接修復(fù)提出了合理化建議。

汽輪機(jī)；灰鑄鐵；隔板；斷裂

火力發(fā)電在我國(guó)當(dāng)前的電力結(jié)構(gòu)中起著重要作用。汽輪機(jī)作為火力發(fā)電廠三大主機(jī)之一，其部件設(shè)備的安全可靠性直接影響到電源側(cè)的安全性。隔板作為汽輪機(jī)的一個(gè)重要部件，用于固定靜葉片和阻止級(jí)間漏汽，它將汽輪機(jī)內(nèi)部分隔為若干壓力段，使高速流動(dòng)的蒸汽汽流以特定方向流入動(dòng)葉，從而起到導(dǎo)流蒸汽的作用。因此，隔板須有較高的強(qiáng)度和剛度，較好的嚴(yán)密性。按照成型工藝的不同，隔板分為焊接隔板和鑄造隔板兩種結(jié)構(gòu)。焊接隔板強(qiáng)度較好，常用于中、高參數(shù)汽輪機(jī)。鑄造隔板由于加工比較容易，制造成本低，在中、低參數(shù)汽輪機(jī)上仍有較多應(yīng)用。但隨著汽輪機(jī)型號(hào)更新?lián)Q代加速，用于汽輪機(jī)維護(hù)的同型號(hào)鑄鐵隔板備件有時(shí)難以及時(shí)得到，因此鑄鐵隔板的焊接修復(fù)技術(shù)研究仍具有一定意義。

圖1 #1隔板在螺孔附近沿45°裂開(kāi)

某火力發(fā)電廠135MW機(jī)組采用上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N135-13.24/535/535型汽輪機(jī)。該汽輪機(jī)組為超高壓、中間再熱、雙排汽單軸布置的沖動(dòng)凝汽式機(jī)組，低壓缸為徑向擴(kuò)壓雙排汽結(jié)構(gòu)，低壓轉(zhuǎn)子為雙流共12級(jí)，左右各6級(jí)。隔板全部采用變截面葉型，采用鑄造隔板，隔板與內(nèi)缸之間用Z型懸掛銷的中分面支承方式[1]。在某次檢修中，發(fā)現(xiàn)該廠汽輪機(jī)低壓缸的兩塊鑄造上隔板斷裂，分別為“左旋第6級(jí)”隔板（以下簡(jiǎn)稱#1隔板）和“右旋第6級(jí)”隔板（以下簡(jiǎn)稱#2隔板）。#1隔板斷裂在中分面螺孔附近，斷口呈現(xiàn)粗晶狀，被表面的黑色氧化物覆蓋（見(jiàn)圖1）；#2隔板斷裂于定位孔邊緣最薄處（見(jiàn)圖2）。每片隔板在工作時(shí)都承受較大的汽流沖力，螺栓等靜定約束力減少會(huì)導(dǎo)致振幅增大，影響隔板密封性和汽流導(dǎo)向性。

圖2 #2隔板在定位孔邊緣裂開(kāi)

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

經(jīng)查閱設(shè)備技術(shù)資料，該汽輪機(jī)組制造于2001年，兩隔板均采用灰鑄鐵HT250鑄造，HT250牌號(hào)鑄件彼時(shí)適用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9439-88《灰鑄鐵件》。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，該牌號(hào)鑄件上的布氏硬度值不超過(guò)HBW230～280。鑄件硬度與強(qiáng)度之間存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，可由布氏硬度值（HBW）和相對(duì)硬度（RH）計(jì)算該隔板的抗拉強(qiáng)度[2]：

鑄造隔板的金相組織評(píng)定適用于彼時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7216-87《灰鑄鐵金相》。灰鑄鐵HT250金相組織多為細(xì)珠光體和較細(xì)片石墨，具有強(qiáng)度較低、塑性較差的特點(diǎn)。由于石墨片硬度很低、片層很薄，具有切斷組織基體的作用，影響到了珠光體組織的連續(xù)性，從而導(dǎo)致鑄件整體強(qiáng)度大幅降低。石墨的高熔點(diǎn)、良好導(dǎo)熱性以及鑄鐵件的多孔結(jié)構(gòu)，致使鑄鐵件對(duì)焊接冷卻速度十分敏感，鑄鐵焊補(bǔ)對(duì)預(yù)熱和變形控制都有較高要求。要提高焊補(bǔ)部位的強(qiáng)度，適宜采用一些工藝成熟的鑄鐵專用焊條[3]。連接斷開(kāi)的灰鑄鐵隔板，一般應(yīng)制定完備的修復(fù)工藝使變形降到最低，同時(shí)采用特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)的影響，從而獲得更好的焊接強(qiáng)度。

按照GB9439-88《灰鑄鐵件》要求，HT250牌號(hào)隔板鑄鐵件的化學(xué)成分如表1所列。

表1 灰鑄鐵HT250的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 取樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相分析

從隔板斷塊上根據(jù)金相分析要求取樣。該斷塊成尖錐狀，長(zhǎng)約20 cm。采用金相切割機(jī)橫向切出一長(zhǎng)方試塊，再剖分為兩個(gè)試樣，見(jiàn)圖3。對(duì)俯視圖可見(jiàn)側(cè)表面進(jìn)行金相組織分析。浸蝕過(guò)的試樣用于檢查石墨形態(tài)，未浸蝕過(guò)的試樣用于檢查基體金屬。

圖3 金相分析取樣位置示意圖

100倍光學(xué)顯微鏡下觀察到的無(wú)浸蝕試樣中的石墨分布呈片狀均勻分布（圖4、圖5），屬于常見(jiàn)的石墨分布形態(tài)，符合技術(shù)要求。對(duì)基體組織形態(tài)的觀察在500倍光鏡下進(jìn)行，兩試樣的基體組織均為片狀珠光體組織，碳化物和鐵素體呈片狀分布于石墨片圍成的區(qū)域內(nèi)，整齊有序。珠光體片位向呈現(xiàn)多樣性，為間距小于1 mm的細(xì)片。在更高倍數(shù)的光鏡下觀察珠光體基體與石墨結(jié)合部位，未見(jiàn)微裂紋等缺陷，所能見(jiàn)到的碳化物和磷共晶都很少。針片狀碳化物分布數(shù)量為1級(jí)，僅在少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)。

圖4 ＃1試樣石墨形態(tài)（100×）

圖5 ＃2試樣石墨形態(tài)（100×）

圖6 ＃1試樣基體（500×）

圖7 ＃2試樣基體（500×）

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，該試樣的金相分析結(jié)果如表2所示。

2.2 硬度測(cè)試

按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隔板進(jìn)行布氏硬度值測(cè)試。結(jié)果如表3。

3 分析與討論

汽輪機(jī)隔板由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求較高，早期的汽輪機(jī)組隔板多采用鑄造工藝以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性和加工性能。但是灰鑄鐵固有的塑性差、強(qiáng)度低、焊接性差等缺點(diǎn)極大地限制了鑄鐵件的使用范圍。隨著機(jī)組向中、高參數(shù)發(fā)展，鑄鐵隔板呈現(xiàn)被焊接隔板取代的趨勢(shì)，可用的鑄鐵隔板備品越來(lái)越少。在缺少備品的情況下及時(shí)完成在用設(shè)備的維護(hù)，焊接修復(fù)成為唯一選擇。

表2 灰鑄鐵金相檢查結(jié)果匯總

表3 鑄鐵隔板硬度/HBW

圖8 兩隔板開(kāi)裂位置示意圖

隔板靜葉片在進(jìn)行汽流導(dǎo)向作用時(shí)，直接承受汽流沖擊力和震動(dòng)作用，并將這種作用力傳遞到隔板之上。隔板的薄弱部位若存在裂紋源，則很易造成裂紋擴(kuò)展，從而斷裂。因此，隔板在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力分布和強(qiáng)度的影響。對(duì)于運(yùn)行中的隔板，可以通過(guò)改變連接焊縫的位置使焊接區(qū)域避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域。比如，將整個(gè)定位孔區(qū)域切掉，代之以帶定位孔的鑄鋼部件，然后采用焊接連接。既可以充分利用鑄鋼件強(qiáng)度，又能使變截面等常見(jiàn)應(yīng)力集中部位避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)。實(shí)際上，這兩個(gè)斷裂隔板即是采用如此方法修復(fù)的，效果較好[1]。此外，國(guó)內(nèi)已有一些鑄鐵成功修復(fù)隔板的案例[5]。

裂紋形成原因往往很多，但是應(yīng)力集中處較易成為裂紋源。隔板耳板外側(cè)角的“R”處有一尖角，易成為裂紋源。蒸汽的進(jìn)入能使裂紋擴(kuò)展，同時(shí)使裂紋兩側(cè)基體金屬氧化變色。#2隔板定位孔邊緣壁厚偏薄，強(qiáng)度不足，屬于鑄造工藝過(guò)程中造成的缺陷。

4 結(jié)論

隔板金相組織形態(tài)正常?；w為單一的珠光體片狀組織，片間距2級(jí)；石墨均勻分布，石長(zhǎng)1.5，長(zhǎng)度8級(jí)；少量磷共晶體呈孤立的塊狀，1級(jí)；碳化物為針片狀，1級(jí)。

隔板布氏硬度值測(cè)定結(jié)果表明隔板硬度正常?？筛鶕?jù)強(qiáng)度和布氏硬度值的關(guān)系計(jì)算隔板強(qiáng)度。

#1隔板斷裂與外側(cè)角的“R”型處尖角有關(guān)，#2隔板斷裂與定位孔邊緣薄壁有關(guān)。因此，修復(fù)完全斷裂的灰鑄鐵隔板，應(yīng)制定完備的修復(fù)工藝將變形降到最低，以獲得更好的焊接強(qiáng)度。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)部件結(jié)構(gòu)，使焊縫區(qū)域避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域，可避免類同缺陷的產(chǎn)生。

［1］戴奕慧.某汽輪機(jī)鑄鐵隔板螺栓孔開(kāi)裂修復(fù)案例研究［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（07）（下）：108.

［2］GB9439-88.灰鑄鐵件［S］.

［3］于德洋.淺談國(guó)內(nèi)鑄鐵件焊接工藝［J］.鑄造，1997（07）：50-52.

［4］GB7216-87.灰鑄鐵金相檢驗(yàn)［S］.

［5］郭大輝，鄭雙武.汽輪機(jī)灰口鑄鐵隔板斷裂焊接修復(fù)實(shí)踐［J］.華中電力，1995（4）：48-50.

Failure Analysis for Diaphragm Fracture of LP Cylinder of Steam Turbine in a Power Plant

LIU Jin-zhuang
（Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co.，Ltd.，Guangzhou510080，China）

The fracture of a gray cast-iron diaphragm in LP cylinder of steam turbine in a power plant was analyzed by means of metallographic test，hardness test and structure analysis.The results suggest that it is normal for microstructure or hardness.Fracture is mainly caused by the stress concentration due to unreasonable structural design.Meanwhile，the proposal for repair welding of gray cast iron diaphragm is put forward.

steam turbine；gray cast iron；diaphragm；fracture

TM621

A

1009－9492(2014)08－0157－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.045

劉金狀，男，1975年生，山東人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：電站金屬部件的失效分析與預(yù)防、金屬部件無(wú)損檢測(cè)、承壓設(shè)備檢驗(yàn)等。 (編輯：王智圣)

2014－07－28