【摘要】對電站汽輪機(jī)葉片的工況與選材進(jìn)行了簡要介紹， 論述了葉片各種疲勞失效方式及原因，從葉片設(shè)計與材質(zhì)、加工與安裝、運(yùn)行與維護(hù)等角度， 給出了預(yù)防疲勞失效的措施。

關(guān)鍵詞:汽輪機(jī)葉片 疲勞失效 預(yù)防措施

0 前言

由于汽輪機(jī)葉片疲勞斷裂而引起的電站事故比較常見，約占整個火力電廠運(yùn)行事故的三分之一。每臺汽輪機(jī)都擁有許多葉片， 只要一只葉片斷裂就可能導(dǎo)致整個機(jī)組的嚴(yán)重事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人員傷亡。因此， 分析葉片的疲勞斷裂原因，制訂防止疲勞斷裂的措施，從而延長葉片使用壽命，對確保整個電站機(jī)組安全性運(yùn)行具有重要的意義。

1 葉片工況與選材

葉片工況與其選材是密切相關(guān)的， 通常是根據(jù)葉片的實(shí)際工況條件及環(huán)境狀態(tài)， 來選擇合適的葉片材料。

1.1 葉片工況條件

電站汽輪機(jī)葉片，特別是大型汽輪機(jī)動葉片， 所處的工況條件及環(huán)境極為惡劣， 主要表現(xiàn)在應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等方而。

汽輪機(jī)在工作過程中， 動葉片承受著最大的靜應(yīng)力及交變應(yīng)力， 靜應(yīng)力主要是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時作用在葉片上的離心力所引起的拉應(yīng)力， 葉片愈長、轉(zhuǎn)子的直徑及轉(zhuǎn)速愈大，其拉應(yīng)力愈大。此外， 由于蒸汽流的壓力作用還產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和扭力， 葉片受激振力的作用會產(chǎn)生強(qiáng)迫振動; 當(dāng)強(qiáng)迫振動的頻率與葉片自振頻率相同時即引起共振，振幅進(jìn)一步加大， 交變應(yīng)力急劇增加，最終導(dǎo)至疲勞斷裂。汽輪機(jī)的每一級葉片工作溫度都不相同， 第一級葉片所處的溫度最高， 大約在535 ℃ 左右; 隨后由于蒸汽逐級作功，溫度逐級降低，直到末級葉片將降到100℃ 以下。

葉片在水蒸汽介質(zhì)中工作， 其中多數(shù)是在過熱蒸汽中工作的，末級葉片是在潮濕蒸汽中工作;過熱蒸汽中含有氧，會造成高溫氧化腐蝕，生成腐蝕性鹽而影響葉片的疲勞強(qiáng)度;濕蒸汽區(qū)， 可溶性鹽垢(如鈉鹽)吸收水珠成為電解液， 造成電化學(xué)腐蝕。此外，濕區(qū)的游離水分子由于過冷凝結(jié)成水滴， 沖擊動葉進(jìn)汽側(cè)背弧面， 造成水沖蝕。

1.2 葉片選材

為確保汽輪機(jī)長期安全運(yùn)行， 葉片材料必須具有良好的抗疲勞和減振性能、足夠的室溫和高溫機(jī)械性能、高的組織穩(wěn)定性、良好的耐蝕性及抗沖蝕穩(wěn)定性等; 常用汽輪機(jī)葉片材料有鉻不銹鋼、強(qiáng)化型鉻不銹鋼、鋁合金及欽合金等。

由于大功率汽輪機(jī)發(fā)展， 后幾級葉片的尺寸愈來愈大，所產(chǎn)生的離心力很大，按目前不銹鋼的強(qiáng)度特性，對于轉(zhuǎn)速為3000r/min的葉片， 最大長度不能超過1100mm~1300mm， 比這更長的葉片需采用高強(qiáng)度、低比重的材料。鋁合金及欽合金比重小、耐蝕性高，有一定的強(qiáng)度，在國外已經(jīng)用于制造大功率汽輪機(jī)長葉片。欽合金是以欽為基礎(chǔ)， 加人適量鋁、錯、錫、釩、鑰等， 它的比重僅是鋼的40% ， 可有效降低葉片根部的應(yīng)力。鐵合金的室溫機(jī)械性能很高，且具有良好的抗蝕性能， 但是鐵合金的工藝性能較差，對應(yīng)力集中比較敏感， 減振性比馬氏體鋼低且成本較高。目前， 國外還在研究采用碳化物或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造汽輪機(jī)末級葉片， 由于此類材料的比重僅為鋼的25% ， 而其抗拉強(qiáng)度則可與鋼相近， 因而是未來大功率汽輪機(jī)末級葉片材料開發(fā)的方向之一。

2 葉片疲勞失效

汽輪機(jī)葉片的斷裂事故， 按其斷裂性質(zhì)可分為高周疲勞、低周疲勞、接觸疲勞、高溫疲勞、腐蝕疲勞等多種失效方式。

2.1 高周疲勞

高周疲勞失效是指葉片在運(yùn)行過程中， 承受較低應(yīng)力且應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于10 000次情況下，所發(fā)生的一種疲勞方式;這種疲勞失效在火電廠的葉片斷裂事故中最為常見。金屬材料的疲勞斷裂過程通常分為I個階段， 即裂紋萌生階段工、裂紋擴(kuò)展階段II、失穩(wěn)態(tài)斷裂階段III。

高周疲勞裂紋萌生是一個相對緩慢的過程， 存在一定孕育期。大量光學(xué)和電子顯微鏡的觀察表明，疲勞裂紋的萌生與滑移及滑移受阻有關(guān)，是局部應(yīng)力集中及塑性變形的結(jié)果; 疲勞裂紋常出現(xiàn)在材料表面附近，萌生于滑移帶、孿晶界、晶界及亞晶界、第二相粒子、夾雜物等處。疲勞裂紋萌生機(jī)制包括、位錯偶極子塞積模型等。影響疲勞裂紋萌生的因素有材料組織結(jié)構(gòu)、表面狀況、載荷情況、環(huán)境與介質(zhì): 如不良材質(zhì)狀況、粗糙表面、高溫及腐蝕介質(zhì)等加速了裂紋的萌生，而材料的表面殘余壓應(yīng)力可減緩裂紋的萌生。汽輪機(jī)葉片出現(xiàn)疲勞裂紋源的典型實(shí)例是，由于葉片或葉片組存在某種異常振動而迭加在葉片上一定的循環(huán)應(yīng)力， 經(jīng)過一段時間后在葉片表面缺陷(如夾雜，點(diǎn)蝕坑，劃痕等}及局部應(yīng)力集中處萌生出疲勞裂紋源。

萌后的疲勞裂紋源，是否能進(jìn)一步擴(kuò)展以及擴(kuò)展的速度均與裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子有關(guān)， 當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過門檻值時，裂紋源將進(jìn)一步擴(kuò)展， 即進(jìn)人第II階段的穩(wěn)定擴(kuò)展過程， 裂紋的擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度 之關(guān)系附合 公式或其修正形式。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定長度后， 即刻轉(zhuǎn)人失穩(wěn)態(tài)快速擴(kuò)展(第III階段) ， 尤其是葉片在低周波或超負(fù)荷等不良狀態(tài)下運(yùn)行時， 將加速其最終斷裂的過程。

高周疲勞斷口的宏觀特征: 斷口表面平整， 呈細(xì)瓷狀特征，貝殼紋線十分清楚， 疲勞擴(kuò)展區(qū)的面積一般大于失穩(wěn)瞬斷區(qū)的面積。高周疲勞斷口的微觀特征;第I階段疲勞斷口的微觀特征有解理特征、河流花樣、平坦區(qū)、第二相粒子與基體之間的晶間斷裂等;第II階段疲勞斷口的微觀特征為疲勞輝紋、輪胎花樣、二次裂紋、韌窩及準(zhǔn)解理等;第III階段失穩(wěn)斷裂的微觀特征主要是韌窩斷口。高周疲勞斷口的微觀形貌， 與應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力強(qiáng)度因子有關(guān)， 這種關(guān)系可參見相應(yīng)的疲勞斷裂機(jī)制圖。

2.2 低周疲勞

低周疲勞失效是指葉片在運(yùn)行過成中， 受到外界較大應(yīng)力，或是較大的激振力，導(dǎo)致葉片經(jīng)受較低振動次數(shù)即發(fā)生斷裂的一種疲勞損壞方式。高低周疲勞的區(qū)別還在于塑性應(yīng)變量的不同,高周疲勞時彈性應(yīng)變占主導(dǎo)地位，稱應(yīng)力疲勞;低周疲勞時塑性應(yīng)變占主導(dǎo)地位，稱應(yīng)變疲勞。

由于汽輪機(jī)運(yùn)行不正常，疏水系統(tǒng)發(fā)生故障，使水進(jìn)人汽缸內(nèi)，葉片遭到水擊而承受大的沖擊力并產(chǎn)生較大塑性變形; 或是由于設(shè)計不良、安裝不好、存在較大的低頻激振力; 如轉(zhuǎn)子不平衡而引起振動，隔板結(jié)構(gòu)或安裝不良，使葉片受到周期力; 或噴嘴損壞使葉片受力不均等 ， 當(dāng)它同葉片的自振頻率相同時即引起共振，產(chǎn)生較大的循環(huán)應(yīng)力和塑性應(yīng)變，并導(dǎo)至葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、以及最終的失穩(wěn)斷裂。

葉片低周疲勞斷口的宏觀特征; 斷口表面粗糙，疲勞貝殼紋(又稱前沿線)不明顯，在斷面上疲勞區(qū)面積往往小于最終斷裂的靜撕斷區(qū)， 斷口的四周可能伴有宏觀塑性變形， 經(jīng)受水擊的葉片斷口還呈現(xiàn)“ 人” 字形紋絡(luò)特征。葉片低周疲勞斷口的微觀特征為韌窩、準(zhǔn)解理、晶間等花樣， 但通常不存在明顯的疲勞輝紋花樣。

2.3 其它疲勞方式

除葉片高周疲勞和低周疲勞損壞方式外， 還有接觸疲勞、高溫疲勞、腐蝕疲勞等失效方式。葉片接觸疲勞是由于存在某種振型的振動， 使毗鄰葉片之間或者葉片與葉輪之間產(chǎn)生往復(fù)的微量位移，相互接觸摩擦而產(chǎn)生的一種疲勞損壞方式， 接觸應(yīng)力往往是由根齒設(shè)計不合理， 或是安裝不良產(chǎn)生的， 葉根的接觸面因振動而進(jìn)行循環(huán)往復(fù)磨擦，造成根部表面層材料晶體滑移和硬化，摩擦一定次數(shù)后，硬化區(qū)便會產(chǎn)生許多顯微裂紋且不斷地擴(kuò)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。葉片的接觸疲勞宏觀斷口， 通常具有貝殼狀特征， 并往往伴有因摩擦氧化而產(chǎn)生的斑痕， 它們的顯微裂紋呈簇狀， 大體上互相平行， 并與摩擦應(yīng)力方向垂直; 摩擦裂紋和摩擦硬化的現(xiàn)象并存，是接觸疲勞的最基本特征，摩擦硬化和摩擦裂紋僅存在于接觸部位的表層附近。除此之外， 接觸疲勞還具有多裂紋源的特點(diǎn)。

狹義高溫疲勞是指在材料再結(jié)晶溫度以上所產(chǎn)生的疲勞，廣義高溫疲勞是指高于常溫所產(chǎn)生的疲勞現(xiàn)象。葉片的工作溫度低于再結(jié)晶溫度， 如果葉片的損壞特征具有以下現(xiàn)象， 即稱為高溫疲勞損壞: ①蠕變和疲勞的共同作用造成葉片損壞， ② 高溫氧化促進(jìn)葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。蠕變和疲勞共同作用所形成的高溫疲勞是介于由靜應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變和動應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞之間的一種損壞形式; 在裂紋源部位，蠕變現(xiàn)象明顯; 在裂紋擴(kuò)展過程中， 尤其是在快速擴(kuò)展區(qū)，裂紋的性質(zhì)是持久斷裂和疲勞斷裂的組合， 這種高溫疲勞往往伴隨著組織的變化。高溫氧化使裂紋尖端的應(yīng)力增大， 促進(jìn)疲勞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，高溫疲勞斷口的宏觀形貌具有貝殼花樣，而斷口的微觀形貌由于表面有較厚的氧化皮，在電子顯微鏡下很難進(jìn)行觀察。

腐蝕疲勞是葉片在腐蝕介質(zhì)中受交變應(yīng)力作用而產(chǎn)生的疲勞損壞，介于機(jī)械疲勞和應(yīng)力腐蝕之間，當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度較快時以機(jī)械疲勞為主， 裂紋為穿晶類型，斷口的宏觀形貌為貝殼花樣，微觀斷口形貌具有條紋花樣; 當(dāng)裂紋發(fā)展速度慢時， 以應(yīng)力腐蝕為主，裂紋主要為沿晶型， 斷口的宏觀特征為粒狀斷口，看不到疲勞貝紋花樣， 斷口的微觀特征為冰糖塊花樣。

3 預(yù)防措施

汽輪機(jī)葉片疲勞失效， 受其設(shè)計、材質(zhì)、加工與安裝、運(yùn)行與維護(hù)等因素的影響， 因而可從這幾個方面來制訂預(yù)防葉片疲勞失效的措施。

3.1 設(shè)計

金屬零部件疲勞失效的前提， 是必須存在一定幅度的循環(huán)應(yīng)力。在零件局部區(qū)域靜應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力之迭加超過其強(qiáng)度門檻值的情況下， 必然要出現(xiàn)疲勞裂紋的萌生， 如果應(yīng)力強(qiáng)度因子保持較高的水平，將造成疲勞裂紋的擴(kuò)展直至最終斷裂。在靜應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力之迭加不超過其強(qiáng)度門檻值的情況下，通常不會發(fā)生疲勞損傷，該零件在使用中是安全的。

汽輪機(jī)葉片的設(shè)計準(zhǔn)則是， 確保葉片各部位的工作應(yīng)力處在安全水平; 要設(shè)法增大葉根的接觸面積，改善葉輪與葉根接觸面的接觸狀況，使葉根齒部在工作狀態(tài)下盡量保持均勻的接觸， 盡量減少葉片局部區(qū)域的應(yīng)力集中。此外，在葉片的設(shè)計過程中，還應(yīng)充分考慮到可能出現(xiàn)的振動型式， 避免不同振型的相互重迭，消除葉片共振的可能性，對預(yù)防葉片的高周疲勞、低周疲勞、接觸疲勞等是十分有益的。

3.2 材質(zhì)

材質(zhì)狀況直接影響到葉片材料的疲勞強(qiáng)度， 不良的葉片材質(zhì)， 會降低葉片的疲勞抗力。例如材料中的夾雜物、不均勻的塊狀鐵素體、鏈狀碳化物、粗大奧氏體晶粒、回火脆性、內(nèi)應(yīng)力等材料缺陷， 對材料的疲勞壽命及耐腐蝕能力是極為不利的， 須加以控制。

在汽輪機(jī)葉片原材料投產(chǎn)之前， 應(yīng)進(jìn)行一系列的材質(zhì)復(fù)驗(yàn)工作， 檢查材料的化學(xué)成份、金相組織、力學(xué)性能等材質(zhì)指標(biāo)是否符合規(guī)定的要求， 還要對原材料有關(guān)的熱加工藝進(jìn)行審核。總之， 為確保葉片的質(zhì)量，必須嚴(yán)格把住材料質(zhì)量這一關(guān)。

3.3 加工與安裝

汽輪機(jī)葉片的制造，是復(fù)雜而精密的加工過程: 如果葉片的尺寸及形線未達(dá)到要求， 可能引起葉片運(yùn)行中的反常振動，增加葉片的附加循環(huán)應(yīng)力，導(dǎo)致葉片的疲勞失效斷裂; 如果葉片的表面太粗糙，或葉片表面存在明顯的加工刀痕， 也可降低葉片的疲勞強(qiáng)度。采用新型的數(shù)控機(jī)床，優(yōu)化加工工藝，并加強(qiáng)每道工序的檢查工作， 確保葉片尺寸、形線、表面光潔度等指標(biāo)附合要求，提高葉片加工精度。另外，建議增設(shè)一道噴丸處理工序， 以增加葉片表面局部區(qū)域的壓應(yīng)力，提高葉片的表面疲勞抗力。

葉片的安裝質(zhì)量是非常重要的， 安裝太緊會增加葉片的附加應(yīng)力; 安裝太松、安裝錯位等不良的安裝質(zhì)量，均可能引起葉片的反常振動， 甚至?xí)鹑~片的共振，導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片的高周疲勞、低周疲勞、以及接觸疲勞等斷裂失效方式。為了提高汽輪機(jī)葉片的安裝質(zhì)量，除采用先進(jìn)的安裝工藝、嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量檢查外， 提高操作工人的責(zé)任心是必不可少的。此外， 葉片在裝配后， 必須進(jìn)行測頻試驗(yàn)、動平衡試驗(yàn)等檢測項目，盡可能降低葉片運(yùn)行中反常振動的可能性。

3.4 運(yùn)行與維護(hù)

在眾多的葉片事故中， 由于運(yùn)行與維護(hù)不當(dāng)所造成的疲勞斷裂占有相當(dāng)大的比例， 應(yīng)引起高度重視。通過改善運(yùn)行條件、消除運(yùn)行低周波、消除運(yùn)行超負(fù)荷、消除運(yùn)行低負(fù)荷、消除顫振、消除共振、消除低壓缸水擊、消除葉片之間及葉片同葉輪之間的磨擦等，是減小葉片的疲勞損傷延長葉片壽命的重要途徑; 降低蒸汽的含氧量、避免蒸汽超溫， 對限制汽輪機(jī)高壓葉片的高溫疲勞損傷是有效的; 改善蒸汽品質(zhì)，是消除低壓葉片腐蝕疲勞的主要方法。按照貫例， 電廠每年都要進(jìn)行大修; 在汽輪機(jī)開缸檢修期間，必須詳細(xì)檢查每級葉片的使用情況，如發(fā)現(xiàn)葉片上有微裂紋、明顯的腐蝕或高溫氧化痕跡， 應(yīng)對其進(jìn)行維修處理，必要時還可更換新的葉片; 否則葉片的帶傷運(yùn)行是非常危險的。

4 結(jié)束語

葉片是汽輪機(jī)的心臟部件， 處在高應(yīng)力、高溫、腐蝕環(huán)境下工作。汽輪機(jī)葉片的疲勞斷裂失效， 一直是國內(nèi)有關(guān)學(xué)者關(guān)心和研究的問題， 研究領(lǐng)域涉及到疲勞斷裂理論的方方面面， 投人了大量的研究資金。到目前為止， 我國在常用葉片材料各類疲勞失效方面的研究已取得滿意的結(jié)果，研究內(nèi)容主要包括: ①新材料開發(fā)與疲勞性能測試，②疲勞起源與機(jī)理，③斷口金相學(xué)與失效分析，④優(yōu)化設(shè)計、材質(zhì)控制、制造安裝工藝的改進(jìn)，⑤表面處理(如噴丸)以提高疲勞抗力，⑥ 運(yùn)行與維護(hù)情況的調(diào)查。在此基礎(chǔ)上，我國電站汽輪機(jī)葉片運(yùn)行可靠性將不斷提高，從而帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。