針對葉片及拉筋的斷裂情況，進行葉片振動頻率、拉筋材質、強度等方面的分析，找出機組低壓轉子葉片及拉筋的斷裂原因。
關鍵詞：葉片　拉筋　頻率　疲勞斷裂　分析　原因
       0　前言
       神頭二電廠2×500MW機組系原捷克斯洛伐克斯克達（SKDOA）汽輪機廠制造，該機組為亞臨界一級中間再熱、單軸、四缸（高壓、中壓、兩低壓）、四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。低壓缸雙流程雙缸結構，低壓轉子為2×6級嵌壓設計，1-3級葉片葉頂有銑制圍柵，4-6級葉片為自由葉片。由于低壓轉子4、4A級葉片及拉筋設計原因致使葉片及拉筋多次發生斷裂，嚴重影響機組的安全運行。具體情況為：
（1）#1機組從投產至今，期間發現#1低壓轉子4a級葉片邊裂紋至拉筋處，距葉頂107mm，裂紋最大寬度2mm，裂紋長32mm，#1低壓轉子4a級拉筋斷裂3處，#2低壓轉子4a級拉筋斷裂1處。
（2）#2機組從投產至今曾兩次發生葉片斷裂事故，第一次斷葉片發生在#1低壓轉子，斷開部位在#5葉片拉筋孔處。第二次斷葉片發生在#2低壓轉子，#25葉片距根部80mm處斷開。
（3）#1低壓轉子4、4a級發生拉筋斷裂120處。
       1　分析
       1.1葉片頻率分析
根據單個等截面葉片自振頻率的計算公式

E——葉片材料的彈性模量（N/m2）
I——葉片截面的慣性矩（m4）
ρ——葉片材料密度（kg/m3）
l——葉片高度（m）
A——葉片橫截面積（m2）
Kl——頻率方程的根
       可以得出：葉片的自振頻率與慣性矩的平方成正比，即葉片的剛性越大自振頻率越高，而與葉片單位長度的質量的平方根成反比，即葉片單位長度的質量越大或葉片越重自振頻率越低。
葉柵中的拉筋對葉片的振動頻率有兩個相反的影響。首先，拉筋阻止葉片產生切向彎曲振動，即增加了葉片的剛性，提高了葉片的自振頻率。同時，由于拉筋的存在相當于增加了葉片的重量，所以降低了葉片的自振頻率。以上兩種相反效應的綜合，最終決定葉片自振頻率的增減。但一般來說，剛性所起的作用大于質量的反作用，故葉片成組后，自振頻率將不同程度有所提高。
從機組未修前進行的測頻結果可以看出，單葉片頻率低（233—241Hz），成組葉片頻率合格（249—256Hz），拉筋完好的葉片組A0型振動頻率范圍一 般在250—256Hz之間，對于本級（L1—4A；L1—4；L2—4A；L2—4級），葉高L=340mm，葉輪平均直徑Dm=1890mm，動頻率系數B=3，葉片5、6片成組。（5片一組的22組，6片一組的3組，一共25組，128片葉片）
當K=5，系統周波為50Hz時，本級的A0型振動的共振區動頻范圍為237.5Hz—262.5Hz，其共振危險區靜頻范圍為221.15Hz—247.8Hz。
當K=5與K=6之間，系級周波為50Hz時，本級葉片對于A0型振動的安全靜頻范圍為247.8Hz—274.7Hz。
       1.1.1從測頻結果中可以看出，當周波為50Hz時，如拉筋發生斷裂，葉片連接成組的組內葉片數就會發生變化，從測頻結果中看出，對單只葉片或兩個葉片組的葉片頻就落入了K=5的共振危險區，有可能使這些葉片發生共振，從而使葉片發生斷裂。
       1.1.2拉筋發生斷裂后，造成葉片三片成組的葉片，部分組落入K=5的共振區，另一部分則在K=5時的安全區的邊緣。（三片成組的葉片A0型振動的頻率范圍為246Hz—253Hz）
       1.1.3對于四片成組的葉片與拉筋完好時，5、6片成組的葉片，在周波為50Hz時，A0型振動是安全的。（其頻率范圍為248Hz—258Hz）
       1.1.4對L1—4A級及L2—4A級A0型振動頻率普遍較L1—4、L2—4級低。
其頻率范圍在250—253Hz之間，如果電網周波升高到51Hz時，對于頻率為250Hz的葉片組，其共振安全率△=4.5%∠5%，落入了K=5時共振區，也就是說當電網周波波動到51Hz時，頻率為250Hz的葉片就會發生共振，危及葉片的安全。
       1.2　拉筋的強度核標
本級葉片在葉高約220mm處穿有一道φ7的焊接拉筋。通過光譜確定拉筋的材料為鉻鋼（1Cr13）。
本級拉筋計算承受的離心彎應力為б=17517.2kg/cm2時認為拉筋是安全的，因此本級拉筋的強度是足夠的。
       1.3　葉片的材質及硬度
根據捷方提供的資料及進行的光譜分析，葉片材質為1Cr13，硬度為HB222，符合B/HJ420-96的標準要求。且斷口金相組織較均勻，未發現夾雜物等缺陷。
       2　討論
通過幾次葉片拉筋損傷觀察，以及葉片斷裂宏觀檢查和金相分析，我們初步得出的結論是：運行中拉筋開焊、斷裂，然后葉片發生疲勞損傷，與葉片的材質和強度無關。具體原因如下：
（1）拉筋斷裂、開焊原因
1）拉筋焊接缺陷方面
a  施焊不飽滿，不均勻；
b  拉筋焊接溫度高，產生熱應力；
c  焊接方法不當（葉片施焊應從內弧側即把葉片水平放置，內弧向上）
2）葉片拉筋局部過熱；
3）運行工況控制不當，如真空低、抽汽不足等，使得4級、4A級葉片受到水沖擊，拉筋受到額外附加應力，發生了斷裂。另外拉筋強度、富裕量偏小；
4）拉筋材質方面，筋相組織發生變化；
（2）葉片斷裂原因
1）由于拉筋斷裂、開焊，使葉片頻率改變，尤其是單只葉片頻率降低較多，陷入共振區中而斷裂；
2）拉筋孔處局部淬硬或金相組織顆粒變粗；
3）設計不當或加工注意；
4）葉片裝配質量方面；葉片根部貼合不好或未鉚緊，使葉片自振頻率低而陷入共振區。
       3　對策與措施
根據以上分析，有針對性地制定如下措施：
（1）在運行中嚴格控制電網頻率的波動。
（2）為減小葉片單位長度上的質量，提高葉片的指針頻率，對#2機、#1、#2低壓轉子，#1機#1、#2低壓轉子4、4A級葉片頂部打孔，以調整單只葉片頻率及成組葉片頻率，鉆孔減荷較未鉆前單只葉片頻率提高10Hz以上，使其處于共振安全區內。

Φ4.8每毫米深減輕重量0.139g，Φ5.8每毫米深減輕重量0.203g，每只葉片打孔共減輕重量為55×（0.139+0.203）=26.455g，為了避免由于打孔深度不一，造成葉片動不平衡及靜不平衡，葉片第一次打孔后，測量葉片打孔深度，確保成組葉片與圓周對應部分相差1g以內，如相差大于1g，應重新調整打孔。
(3)為提高拉筋的強度，進一步提高富裕量，對#1、2機低壓轉子4、4A級葉片穿鈦合金拉筋。
(4)從拉筋斷口處可以看出造成拉筋斷裂的拉應力水平較高，應為葉片進汽的蒸汽濕度大而產生水擊現象，使拉筋承受的拉應力大大超過預設拉應力。為此在運行中應提高再熱汽溫度，增加蒸汽壓力，提高凝汽器真空，盡量避免長周期低負荷運行。同時，將原來的焊接死拉筋更換為鈦合金半圓松拉筋，5-6個葉片為一組，在運行狀態下借助于拉筋本身的離心力作用產生的摩擦力大于葉片的振動力，以達到抑制振動的目的。而拉筋本身受力較小，不會發生斷裂。
(5)檢查并加固葉片葉根，使其固定牢固。
       4  改進效果
       利用2001年和2003年#1、#2大修的機會，經過以上幾條措施的改進，低壓轉子4級、4A級葉片成組葉柵的振動頻率提高到260-270Hz，在安全振動頻率247.8—274.7Hz范圍內，頻率分散度A=2.27%-2.31%＜8%，合格。改進后歷經幾次機組中小修檢查，低壓轉子4級、4A級葉片及葉片拉筋未發現裂紋或斷裂，極大地促進了機組的安全運行，防止了斷葉片事故的發生。