浅析汽轮机叶片损坏事故原因

摘 要：叶片是汽轮机的心脏，也是事故最多的关键部件，它的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电站的安全、满发。由于电力是国民经济的命脉，全世界的电力约有76%来自火电站中的锅炉-汽轮机-发电机以及核电站中的核反应堆-汽轮机-发电机。因此，提高汽轮机叶片的安全可靠性对于满足不断高涨的电力需求，适应国民经济的发展，有着不容忽视的作用。

关键词：叶片；损坏；汽轮机

由于汽轮机叶片高度和蒸汽参数的不断提高，叶片的工作条件也越来越严酷，在进汽端的调节级叶片，要承受最高600℃的高温和喷嘴弧段的巨大冲击力，在排汽端，则要承受巨大的离心力和接近两倍音速的湿蒸汽流的冲刷，而所有动叶片部承受着多种形式的周期性或随机性激振力作用而处于强迫振动之中。正是这些不利条件使叶片长期成为汽轮机中影响安全、满发的最主要的因素。根据1970年前后英国、法国、原苏联等国的统计，汽轮机事故约有45～72%是叶片造成的。美国和联邦德国近期统计表明，叶片事故中汽轮机各部件中仍居首位，美国电力研究所指出，美国电站汽轮机强迫停运率的70%与叶片损坏有关。各国统计还一致反映，叶片事故引起的损失往往占全部损失的一半左右。

1. 汽轮机叶片损坏与脱落

1.1 叶片的组成和作用

设计制造动叶片主要考虑如下方面的要求：叶片应具有足够的强度和良好的振动特性，即避开共振区以保证叶片安全运行，应具有良好的空气动力特性，以达到较高的效率；合理的结构和良好的工艺性，便于制造和安装。

叶片的组成：

叶型：叶片的主要工作部分，汽流通过由相邻叶片的型线部分构成的通道，完成能量转换。

叶根：将叶片固定在转子叶轮上的装配部分。

围带、拉筋等：属于链接件，并可调整叶片的自振频率和减少叶片所受的动应力。

动叶的作用：是在高温、高转速、高湿度和高速汽流绕流环境中工作，将高速汽流的动能转变为机械功。

1.2 事故特征

（1）汽轮机内部或凝汽器内有突然的响声。

（2）当断落的叶片落入凝汽器时，会将凝汽器钢管打坏，使凝汽器内循环水漏入凝结水中，导致凝结水硬度和导电度突然增大，凝结水水位增高，凝结水泵电动机电流增大。

（3）机组振动通常会明显变化，有时还会产生瞬间强烈抖动，其原因是叶片断裂脱落，使转子失去平衡或摩擦撞击。但有时叶片在转子中间级断落，并未引起严重动静摩擦，在工作转速下机组振动不一定明显增大，只有在启动、停机过程中的临界转速附近，机组振动会出现明显增大。

（4）叶片损坏较多时会使蒸汽通流面积改变，从而同一个负荷的蒸气流量、监视段压力、调速汽阀开度等都会改变。

（5）如果断落叶片发生在抽汽级处，叶片就可能性进入抽汽管道，造成抽汽逆止阀卡涩或进入加热器，使加热器的管子受撞击断裂，引起加热器疏水水位升高。

（6）在停机惰走过程或盘车状态下，有可能听到金属摩擦声，惰走时间缩短，在启动和停机过程中，通过临界转速时，机组振动将会明显地变化。

1.3 叶片断裂或脱落的原因

汽轮机的动静叶片是通流部分的主要零件，动叶片不但要承受高速转动时产生的离心力，还要承受高速气流的冲击力和由于气流不均匀而产生的往复振动作用力。因此，动叶片损坏是经常发生的。造成叶片断裂或脱落的原因很多，它与设计、制造、材质、安装、检修工艺和运行维护等因素均有关系，归纳起来有下列几个方方面：

1.3.1 机械损伤

（1）外来的机械杂质随蒸汽进入汽轮机内打伤叶片。

（2）汽缸内部固定零部件脱落，如阻汽片、导流环等，造成叶片严重损伤。

（3）因轴承或推力瓦损坏、大轴弯曲、胀差超限以及机组强烈振动，造成通流部分动、静磨擦，使叶片损坏。

1.3.2 腐蚀和锈蚀

叶片的腐蚀常发生在开始进入湿蒸汽的各级，这些级段在运行中，蒸汽干、湿交替变化，使腐蚀工质易浓缩，引起叶片腐蚀。另外，长期停机备用的机组往往会因空气中的潮气或蒸汽漏入机内造成叶片严重锈蚀。

叶片受到侵蚀削弱后，不但强度减弱，而且叶片被侵蚀的缺口、孔洞还将产生应力集中现象，侵蚀严重的叶片，还会改变叶片的振动频率，从而使叶片因应力过大或共振疲劳而断裂。

1.3.3 水蚀

水蚀一半多发生在末级湿蒸汽区的低压段长叶片上，尤其是末级叶片。水蚀是湿蒸汽中分离出来的水滴对叶片冲击造成的一种机械损伤，而末级叶片旋转线速度高，并且蒸汽湿度大，水滴多，故水冲蚀程度更严重。受水蚀严重，叶片将出现缺口、孔洞等，降低叶片的强度，导致断裂损坏。

1.3.4 水冲击

汽轮机发生水冲击时，前几级叶片的应力会突然增加，并骤然受到冷却，使叶片过载，末几级叶片则冲击负荷更大。叶片遭到严重水击后会发生变形，其进汽侧扭向内弧，出汽侧扭向背弧，并在进出汽侧产生细微裂纹，成为叶片振动断裂的根源。水冲击有时会使叶片拉筋断裂，改变了叶片连接形式，甚至原来成组的叶片变成单个叶片，改变了叶片振动频率，降低叶片的工作强度，致使叶片发生共振，造成断裂。运行中叶片水蚀，使叶片强度降低。叶片受水冲击的载荷增大，叶片拉筋受水击断裂使叶片成为单只叶片，叶片的振动频率改变，使叶片陷入共振断裂。

1.3.5 叶片本身存在的缺陷

（1）设计应力过高或结构不合理，如叶片顶部太薄，围带铆钉头应力大， 常在运行中发生应力集中，铆钉头断裂，围带裂纹折断，使叶片损坏。

（2）叶片振动特性不合格，运行中因共振产生很高的动应力，使叶片损坏。

（3）叶片材质不良或错用材料，如叶片材料机械性能差，金属组织有缺陷或有夹渣、裂纹；叶片经过长期运行后材料疲劳性能和振动衰减性能等降低而导致叶片损坏。

（4）加工工艺不良，例如叶片表面粗糙，留有刀痕，围带铆钉孔或拉筋孔处无倒角等，都会导致应力集中而损坏叶片。

1.3.6 运行维护原因

（1）电网频率变动超出允许范围，过高、过低都可能使叶片振动频率进入共振区，产生共振而使叶片断裂。

（2）机组过负荷运行，使叶片的工作应力增大，尤其是最后几级叶片，蒸汽流量增大，各级焓降也增加，使其工作应力增加很大而严重超负荷。

（3）主蒸汽参数不符合要求，频繁而较大幅度地波动，主蒸汽压力过高、主蒸汽温度偏低或水冲击以及真空过高，都会加剧叶片的超负荷或水蚀而损坏。

（4）蒸汽品质不良使叶片结垢、腐蚀，叶片结垢后将使轴向推力增大，引起某些级过负荷；叶片结垢后离心力增加，超过材料的抗拉强度而断落；叶片结垢后，改变其振动特性，进入共振区而断落。腐蚀容易引起叶片应力集中或材质的机械强度降低，导致叶片损坏。

（5）停机后由于主蒸汽或抽汽系统不严密，使汽水漏入汽缸，时间一长，使通流部分锈蚀而损坏。

2. 事故处理方法

汽轮机运行中如发觉有以上断叶片现象或机组突然发生强烈振动，应果断进行紧急停机。如确是断叶片引起的，特别是叶片断在中间的，应立即处理，不能犹豫不决、拖延时间。因为这样会使事故迅速扩大，设备严重损坏。

有些事故发生在汽缸内，只能根据叶片断裂事故可能出现的特征进行综合判断。当清楚地听到汽缸内发生金属响声或机组出现强烈振动时，应判断为通流部分损坏或叶片断落，则应紧急故障停机，准确记下惰走时间，在惰走和盘车过程中仔细倾听汽缸内声音，经全面检查、分析研究，决定是否需揭缸检查并更换新叶片。

3. 预防措施

叶片是汽轮机的重要部件。它的作用是实现能量的转换。因此，叶片损坏将直接影响机组的经济性。另外，运行中如果有叶片断裂，将损坏其他的叶片。汽轮机叶片损坏事故在汽轮机事故中占的比例较大，给汽轮机的经济安全运行带来一定的影响。因此，防止叶片损坏是非常重要的。

加强叶片金属监督，对汽轮机叶片、叶根、围带、拉筋孔附近进行检查，及早发现叶根和围带是否有松动等隐患。围带松动可捻铆围带铆钉或在围带内侧施银焊（低温区）。根据机组叶片结构和国内类似机组断叶片情况，有针对性的重点检查，尤其是对事故多发叶片的检查，发现问题，应采取措施进行处理。■