【摘要】對電站汽輪機葉片的工況與選材進行了簡要介紹， 論述了葉片各種疲勞失效方式及原因，從葉片設計與材質、加工與安裝、運行與維護等角度， 給出了預防疲勞失效的措施。

關鍵詞:汽輪機葉片 疲勞失效 預防措施

0 前言

由于汽輪機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行事故的三分之一。每臺汽輪機都擁有許多葉片， 只要一只葉片斷裂就可能導致整個機組的嚴重事故，造成重大經濟損失，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，對確保整個電站機組安全性運行具有重要的意義。

1 葉片工況與選材

葉片工況與其選材是密切相關的， 通常是根據葉片的實際工況條件及環境狀態， 來選擇合適的葉片材料。

1.1 葉片工況條件

電站汽輪機葉片，特別是大型汽輪機動葉片， 所處的工況條件及環境極為惡劣， 主要表現在應力狀態、工作溫度、環境介質等方而。

汽輪機在工作過程中， 動葉片承受著最大的靜應力及交變應力， 靜應力主要是轉子旋轉時作用在葉片上的離心力所引起的拉應力， 葉片愈長、轉子的直徑及轉速愈大，其拉應力愈大。此外， 由于蒸汽流的壓力作用還產生彎曲應力和扭力， 葉片受激振力的作用會產生強迫振動; 當強迫振動的頻率與葉片自振頻率相同時即引起共振，振幅進一步加大， 交變應力急劇增加，最終導至疲勞斷裂。汽輪機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。

葉片在水蒸汽介質中工作， 其中多數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度;濕蒸汽區， 可溶性鹽垢(如鈉鹽)吸收水珠成為電解液， 造成電化學腐蝕。此外，濕區的游離水分子由于過冷凝結成水滴， 沖擊動葉進汽側背弧面， 造成水沖蝕。

1.2 葉片選材

為確保汽輪機長期安全運行， 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械性能、高的組織穩定性、良好的耐蝕性及抗沖蝕穩定性等; 常用汽輪機葉片材料有鉻不銹鋼、強化型鉻不銹鋼、鋁合金及欽合金等。

由于大功率汽輪機發展， 后幾級葉片的尺寸愈來愈大，所產生的離心力很大，按目前不銹鋼的強度特性，對于轉速為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，有一定的強度，在國外已經用于制造大功率汽輪機長葉片。欽合金是以欽為基礎， 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力。鐵合金的室溫機械性能很高，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復合材料制造汽輪機末級葉片， 由于此類材料的比重僅為鋼的25% ， 而其抗拉強度則可與鋼相近， 因而是未來大功率汽輪機末級葉片材料開發的方向之一。

2 葉片疲勞失效

汽輪機葉片的斷裂事故， 按其斷裂性質可分為高周疲勞、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行過程中， 承受較低應力且應力循環次數大于10 000次情況下，所發生的一種疲勞方式;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、裂紋擴展階段II、失穩態斷裂階段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，是局部應力集中及塑性變形的結果; 疲勞裂紋常出現在材料表面附近，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構、表面狀況、載荷情況、環境與介質: 如不良材質狀況、粗糙表面、高溫及腐蝕介質等加速了裂紋的萌生，而材料的表面殘余壓應力可減緩裂紋的萌生。汽輪機葉片出現疲勞裂紋源的典型實例是，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應力， 經過一段時間后在葉片表面缺陷(如夾雜，點蝕坑，劃痕等}及局部應力集中處萌生出疲勞裂紋源。

萌后的疲勞裂紋源，是否能進一步擴展以及擴展的速度均與裂紋尖端的應力強度因子有關， 當應力強度因子超過門檻值時，裂紋源將進一步擴展， 即進人第II階段的穩定擴展過程， 裂紋的擴展速率與應力強度 之關系附合 公式或其修正形式。當疲勞裂紋擴展到一定長度后， 即刻轉人失穩態快速擴展(第III階段) ， 尤其是葉片在低周波或超負荷等不良狀態下運行時， 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， 呈細瓷狀特征，貝殼紋線十分清楚， 疲勞擴展區的面積一般大于失穩瞬斷區的面積。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、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、韌窩及準解理等;第III階段失穩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， 與應力狀態及應力強度因子有關， 這種關系可參見相應的疲勞斷裂機制圖。

2.2 低周疲勞

低周疲勞失效是指葉片在運行過成中， 受到外界較大應力，或是較大的激振力，導致葉片經受較低振動次數即發生斷裂的一種疲勞損壞方式。高低周疲勞的區別還在于塑性應變量的不同,高周疲勞時彈性應變占主導地位，稱應力疲勞;低周疲勞時塑性應變占主導地位，稱應變疲勞。

由于汽輪機運行不正常，疏水系統發生故障，使水進人汽缸內，葉片遭到水擊而承受大的沖擊力并產生較大塑性變形; 或是由于設計不良、安裝不好、存在較大的低頻激振力; 如轉子不平衡而引起振動，隔板結構或安裝不良，使葉片受到周期力; 或噴嘴損壞使葉片受力不均等 ， 當它同葉片的自振頻率相同時即引起共振，產生較大的循環應力和塑性應變，并導至葉片疲勞裂紋的產生、擴展、以及最終的失穩斷裂。

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，在斷面上疲勞區面積往往小于最終斷裂的靜撕斷區， 斷口的四周可能伴有宏觀塑性變形， 經受水擊的葉片斷口還呈現“ 人” 字形紋絡特征。葉片低周疲勞斷口的微觀特征為韌窩、準解理、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生往復的微量位移，相互接觸摩擦而產生的一種疲勞損壞方式， 接觸應力往往是由根齒設計不合理， 或是安裝不良產生的， 葉根的接觸面因振動而進行循環往復磨擦，造成根部表面層材料晶體滑移和硬化，摩擦一定次數后，硬化區便會產生許多顯微裂紋且不斷地擴展，最終發生疲勞斷裂。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， 并與摩擦應力方向垂直; 摩擦裂紋和摩擦硬化的現象并存，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。

狹義高溫疲勞是指在材料再結晶溫度以上所產生的疲勞，廣義高溫疲勞是指高于常溫所產生的疲勞現象。葉片的工作溫度低于再結晶溫度， 如果葉片的損壞特征具有以下現象， 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 高溫氧化促進葉片疲勞裂紋的產生和發展。蠕變和疲勞共同作用所形成的高溫疲勞是介于由靜應力產生的蠕變和動應力產生的疲勞之間的一種損壞形式; 在裂紋源部位，蠕變現象明顯; 在裂紋擴展過程中， 尤其是在快速擴展區，裂紋的性質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力增大， 促進疲勞裂紋的產生和發展，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行觀察。

腐蝕疲勞是葉片在腐蝕介質中受交變應力作用而產生的疲勞損壞，介于機械疲勞和應力腐蝕之間，當裂紋擴展速度較快時以機械疲勞為主， 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; 當裂紋發展速度慢時， 以應力腐蝕為主，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 預防措施

汽輪機葉片疲勞失效， 受其設計、材質、加工與安裝、運行與維護等因素的影響， 因而可從這幾個方面來制訂預防葉片疲勞失效的措施。

3.1 設計

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

汽輪機葉片的設計準則是， 確保葉片各部位的工作應力處在安全水平; 要設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下盡量保持均勻的接觸， 盡量減少葉片局部區域的應力集中。此外，在葉片的設計過程中，還應充分考慮到可能出現的振動型式， 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

材質狀況直接影響到葉片材料的疲勞強度， 不良的葉片材質， 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、內應力等材料缺陷， 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。

在汽輪機葉片原材料投產之前， 應進行一系列的材質復驗工作， 檢查材料的化學成份、金相組織、力學性能等材質指標是否符合規定的要求， 還要對原材料有關的熱加工藝進行審核。總之， 為確保葉片的質量，必須嚴格把住材料質量這一關。

3.3 加工與安裝

汽輪機葉片的制造，是復雜而精密的加工過程: 如果葉片的尺寸及形線未達到要求， 可能引起葉片運行中的反常振動，增加葉片的附加循環應力，導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度。采用新型的數控機床，優化加工工藝，并加強每道工序的檢查工作， 確保葉片尺寸、形線、表面光潔度等指標附合要求，提高葉片加工精度。另外，建議增設一道噴丸處理工序， 以增加葉片表面局部區域的壓應力，提高葉片的表面疲勞抗力。

葉片的安裝質量是非常重要的， 安裝太緊會增加葉片的附加應力; 安裝太松、安裝錯位等不良的安裝質量，均可能引起葉片的反常振動， 甚至會引起葉片的共振，導致汽輪機葉片的高周疲勞、低周疲勞、以及接觸疲勞等斷裂失效方式。為了提高汽輪機葉片的安裝質量，除采用先進的安裝工藝、嚴格進行質量檢查外， 提高操作工人的責任心是必不可少的。此外， 葉片在裝配后， 必須進行測頻試驗、動平衡試驗等檢測項目，盡可能降低葉片運行中反常振動的可能性。

3.4 運行與維護

在眾多的葉片事故中， 由于運行與維護不當所造成的疲勞斷裂占有相當大的比例， 應引起高度重視。通過改善運行條件、消除運行低周波、消除運行超負荷、消除運行低負荷、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， 對限制汽輪機高壓葉片的高溫疲勞損傷是有效的; 改善蒸汽品質，是消除低壓葉片腐蝕疲勞的主要方法。按照貫例， 電廠每年都要進行大修; 在汽輪機開缸檢修期間，必須詳細檢查每級葉片的使用情況，如發現葉片上有微裂紋、明顯的腐蝕或高溫氧化痕跡， 應對其進行維修處理，必要時還可更換新的葉片; 否則葉片的帶傷運行是非常危險的。

4 結束語

葉片是汽輪機的心臟部件， 處在高應力、高溫、腐蝕環境下工作。汽輪機葉片的疲勞斷裂失效， 一直是國內有關學者關心和研究的問題， 研究領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果，研究內容主要包括: ①新材料開發與疲勞性能測試，②疲勞起源與機理，③斷口金相學與失效分析，④優化設計、材質控制、制造安裝工藝的改進，⑤表面處理(如噴丸)以提高疲勞抗力，⑥ 運行與維護情況的調查。在此基礎上，我國電站汽輪機葉片運行可靠性將不斷提高，從而帶來更大的經濟效益。