汽轮机叶片断裂故障分析和处理.pdf

安全与综合 湖 南 电 力 第 2 5卷 2 0 0 5年 第 3期 汽轮机叶片断裂故障分析和处理 谭波 ( 大唐湖 南耒 阳发 电厂 ，湖 南 耒 阳 4 2 1 8 0 0 ) 中图分 类号 ：t k 2 6 3 3 文献标识码 ：b 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 9 8 ( 2 0 0 5 ) 0 3 0 0 2 2 0 4 1 设备概况 某厂 2号机 系上 海汽轮 机厂 生产 ，1 9 7 3年 1 2 月投入运行 。 汽轮机型号 n5 0 9 0 1 ， 为高温高压 、 冲 动 、凝汽式 。汽轮机转子 有 1 个单 列调节 级和 2 1 列 压力级 。 2 0 0 0年 2月 ， 因为 1 ， 2号瓦突发性低频振动等 问题 更换 了新的汽轮机转子 ； 2 0 0 4年 2月 由于第 2 0 级 断叶 1片 ，制造 厂更换 了该级全部 叶片 ，2 0 0 4年 1 0月第 2 0级再 次断 叶 2片 ，在现 场更换 了该 级 5 片叶片。 2 断叶片前后机组运行情 况 8月 9日负荷 4 1 mw ， 汽轮机 1 ， 2号轴承垂直 振 动 l 1 ，1 3 m，机组运 行正常 。 1 0月 2日负荷 4 7 mw ，汽轮机 1 ，2号轴承垂 直振 动分别增 加至 5 5 m，4 7 m。 1 0 月 5日 l 1： 3 8 ，负荷 4 6 mw，蒸汽参数正 常 ，差胀 0 0 2 mm， 总胀 1 3 1 4 mm， 轴 向位移 0 0 5 mm，润滑油温 油压 4 0 o 1 0 5 mp a ， 汽轮机 1 ， 2 号轴 承垂 直振动再 次分别增 大到 1 3 6 m，1 0 0 m。 1 2：1 8减 负荷到零 ， 发电机解列 、 打闸停机 。 降 速到 2 2 0 0 r mi n时机组振动强烈 ， 全开真空破坏 门 紧急停机 ；1 2： 3 3 转子静止 ，投连续盘车，无异常 声音 ，盘车电流稳定在 2 1 a。 从机组振动变化分析 ，初步判断汽轮机转子可 能发生了叶片断裂故障。揭汽缸后发现 ，汽轮机第 2 0 级断叶 2 片，断叶损坏第 2 0 ，2 1 级其它部分动、 静 叶片 。 3 叶片损坏情况检查 3 1 第 2 o级叶 片概况 收穑 日期 ：2 0 0 5 0 2 2 5 第 2 0级变截面单叶片共 9 4片 ，喷嘴数 7 2只。 叶片高度 4 4 8 mm， 节 圆直径 1 7 0 8 mm， 叶型底部宽 度 7 2 mm，双 “ t”型外 包小 脚叶根 ，部分叶片进 汽 边顶部 1 2范围内镶嵌 防水蚀 的司太立合金 片 。叶 片材质 2 c r 1 3 ，叶片质量 3 9 4 1 k g 。 级前 2个抽汽 口的抽汽和前端轴封 的 3号 档漏 汽进 入 1号低加加热凝结水 ，疏水通过 疏水泵进入 1号低加水 侧出 口。 3 2 叶片损坏状况 2号机 第 2 0级 相邻 的 1号 和 9 4号 叶片 断裂 ， 9 4号叶片断裂处距叶根约 2 4 mm， 断 口宏观为典 型 的疲劳断 口，疲劳裂纹 的扩展 区和瞬断区清 晰 ，断 口的贝壳纹较粗大且不均匀 ，最后 的瞬时拉 断区约 占整个 截面积 的 2 5 。在 叶片出汽边 和进 汽边均 发 现有撕裂现 象 ， 另外叶片根部进汽边在离根部约 2 0 mm 处还 有一条 长约 5 mm 的裂纹 。 图 1 1号 叶 片断 口宏 观 形 貌 维普资讯 第 2 5卷 2 0 0 5 年第 3 期 湖 南 电 力 安全与综合 1 号 叶片断裂 处距叶根约 1 3 8 mm， 在 叶片边缘 同 时有 2条 裂纹 ，一 条 长约 2 5 mm，另一 条 长约 8 mm。断 口宏观 为呈典 型的疲劳断 口，疲 劳裂纹 的 扩展区和瞬断 区清晰 ( 见 图 1 ) ，断 口的贝壳纹较粗 大 且不均 匀 。1号 叶片 断 口颜色 明显 比 9 4号 叶 片 深，同时 1 号叶片只在进汽边有撕裂现象，出汽边 未发现撕裂 。 断裂叶片及其他叶片进、出汽边，未见明显加 工 刀痕 ，也未见 明显水蚀 和点蚀坑 。宏观检查发现 第 2 0级 部分 叶片表面有发兰现象 ，第 1 8 ，1 9级叶 片和喷嘴背弧面有水刷痕迹 ， 第 1 7 2 1级叶片和隔 板上均有垢 。 事故 中断裂 叶片打坏第 2 0 ， 2 1级多片 叶片 ，同时打坏 了第 2 o级下 隔板出汽侧 、第 2 1级 下隔板进汽侧和第 2 l级上隔板 出汽侧 。 从 目前宏观检查分析，本次断裂为 1 号叶片和 9 4号叶片都发生 裂纹 并扩展 ， 首先是 l号叶片在 1 0 月 2日左右最 先断裂 ， 断裂 的 1号叶片撞击 9 4号叶 片，且导致 9 4号 叶片 出汽边近 根部 产生撕裂 并扩 展 ，在 1 0月 5日 1 1：3 8左右叶片断裂 。 4 断裂叶片试验分析 4 1 光谱分析 对断裂的 3 块叶片分别进行定量光谱分析，结 果见表 1 。 表 1 断裂叶片化学成分 ! 皇 ! ! ! ： 枷 z so o 。 。 。 号 差 计 o 2 2 0 2 9 0 2 1 o o 2 5 o o 2 7 1 3 3 8 o 1 3 o 1 3 计0 2 3 0 4 l 0 _ 2 l 0 0 2 5 0 0 l 6 i 2 _ 7 g 0 i 3 0 i 6 由表 1可知 ， 所有 叶片的材 质符合 gb t8 7 3 2 2 0 0 4 汽轮机叶片用钢 要求 。 4 2 布 氏硬 度试验 对断裂叶片选取叶根位置分别进行布氏硬度检 验 ， 结果 见表 2 。 表 2 断裂叶片布 氏硬度检验结 果 试样编号 i 号叶片 9 4 号叶片 布氏硬度值 2 3 7 2 3 9 gb t 8 7 3 2 2 0 0 4 2 c r 1 3要求布氏硬度值 2 0 7 2 4 1 布 氏硬 度检验 结果表 明， 断裂 叶片母材 的硬 度 在标 准要求 的合格范 围内。 4 3金相分析 4 3 1 取样位置 取 9 4号断裂 叶片断 口附近 的叶片横断 面( 试样 1 ) ， l号断裂 叶片断 口附近 的叶片横 断面( 试样 2 ) ， l 号断裂叶片与断口平行的小裂纹附近的叶片横断面 ( 试样 3 ) 作为金相分析试样。 4 3 2 分析结果 对试样 1 和试样 2进行金相低倍组织观察 ， 无 目视 可见 的缩 孑 l 、 气泡 、 夹杂及 裂纹 ， 金相显微 组织 为回火索氏体( 见图 2 ) ， 组织较为均匀， 极少量位置 图 2 1号断裂叶片金相组 织 5 0 0 x f e c1 3 一 hc1 一 酒精溶 液侵蚀 有 少 量 艿铁 素 体 ( 在 合 格 范 围 内， 见 图 3 ) ， 组 织 细 小， 晶粒度合格。金相组织检验总体合格。 试样 3金相显微组织 为回火索氏体 ， 裂纹尖细 ， 无明显分叉 ， 为穿晶裂纹 ， 裂纹较宽处， 可见腐蚀产 物 ， 符合疲劳裂纹 的微观特征 ( 见图 4 ) 。 图 3 1号叶 片金相组织( 艿 铁 素体) 5 0 0 f e c | 3 一 h c i 一 酒精溶液侵蚀 2 3 维普资讯 安全与综合 湖 南 电 力 第 2 5卷 2 0 0 5 年第 3 期 图 4 1号 断裂叶片小裂纹 5 0 0 f e c i 3 一 h c i 一 酒精溶液侵蚀 4 4显微硬度测量 取金相检验的试样 1 ， 2 ( 分别为断裂叶片的横 断面 ) 测 量显微硬度值 ， 测量结果见表 3 。 表 3断裂叶片横 断面 显微硬 度值h v 0 2 序号 l 2 3 平均值 试样 1 9 4号叶片 2 5 5 4 2 5 3 5 2 5 0 1 2 5 3 0 试样 2 l号叶片 2 2 9 6 2 4 4 0 2 3 5 3 2 3 6 3 结果 表 明， 叶片母 材的显微硬度正常 。 由于 断裂 叶片制作 的试样 较小 ， 无法进行 拉伸 和冲击 试验 。 4 5叶片频率试 验结果 2 0 0 0年更 换 新转子 后 ， 2 0级 叶 片 qa。 型 频率 1 4 6 1 5 5 hz ， 频率分散率 6 。2 0 0 4年 2月更换第 2 o 级全部叶片后， qa 。 型频率 1 4 6 1 5 7 hz ， 频率分 散率 7 2 6 。 频率合格范围厂家给定值为 1 4 3 1 6 5 h z ， 所有叶片 qa 。 型频率合格。 根据 叶片 qa 。 型频率 ， 可以推算 出叶片 qa 型频率小于 1 0 0 0 h z ， 而喷嘴数为 7 2 个， 高频激振 力 频 率达 3 6 0 0hz左 右 ， 该 级 叶 片 qa1型 频 率安 全避 开率是足够 的。 4 6 机 组 以前 情况统计 机组 自1 9 7 3年投产以来， 由于设计和运行存在 一 些 问题， 叶片围带经常飞脱， 老转子共断叶片 6 次， 时间分别在 1 9 8 2 ， 1 9 8 8 ， 1 9 9 0 ， 1 9 9 7 ， 1 9 9 8年， 叶 片断裂位置在第 1 6 1 9和 2 1 级 。2 0 0 0年更换 新汽 轮机 转 子 以后 ， 到 2 0 0 4年 2月 运行 约 1 1 0 0 0 h， 第 2 0级叶 片断裂 1片， 整级叶片更换后 仅运行 1 1 0 0 h， 2 0 0 4年 1 0月该级 叶片再 次断裂 2片。 2 4 5 叶片断裂原 因综合分析 叶片断裂原因主要从 5个方面分析 ： a 叶片设 计 ，包括叶片工作应力 、安全倍率 、频 率等 ；b 材 质 ，包括化学成分 、金相组织 、硬度 、力学 性能等 ； c 制造加工，表面是否存在刀痕、热处理工艺、司 太立合金 镶嵌工 艺等 ； d 安装工艺 ， 包括 叶根接触 、 紧力等 ； e 机组运行，包括系统频率高低、负荷大 小 、加 热器 是否进水 、运行参数 是否正常等 。 2 0 0 0年更换汽轮机转子之前 ， 该级 叶片运行 了 2 7 年从未发生故障。 叶片 2 次断裂位置均在叶片工 作型线部分，断裂叶片材质合格，叶片频率都在合 格范 围内，断裂叶片及其他叶片进 、出汽边未见 明 显加 工刀痕 ，未见明显水蚀和点蚀坑 ，初步判 断叶 片断裂原因是运行 方面因素引起的 。该级叶片根部 也没有发现明显变形 ，叶片断裂事故后检查低加管 系无泄漏，高水位报警正常，可以判断叶片没有发 生水击 事故 。 查看运行记录并根据电厂专业人员反映，由于 高压 轴封漏汽量较 大 ，高温蒸汽通过 3号档漏汽进 入 7号段抽汽，导致 7号段抽汽温 度长期 高达 4 1 7 ， 大大高于设计值 7 4 c， 高温蒸汽有可能倒人 汽缸后进人第 2 o 级叶片。 从该级叶片表面发兰情况 分析 ， 叶片温度至少达 到过 3 0 0 以上 ， 从另 一个侧 面佐证高温蒸汽可能进入了第 2 0 级叶片。 由于高温影响，使叶片耐振强度大幅下降，据 查 ， 温度从 2 0 上升至 4 0 0 c时 ， 2 c r 1 3钢的疲 劳极 限 盯 一 。 下降约 2 0 ，叶片动频率降低 。由于相对薄 弱 的出汽边力学性能指标降低 ，抗疲劳性能差 ，运 行 时叶片振 动疲劳导致形成裂纹 ，在恶 劣环境 和较 大应力作用下快速扩展 ，最后使 叶片断裂破坏 。 同时 ，该级 叶片工作在湿蒸 汽区 ，且 近段 时间 主汽温度偏低 ，蒸汽可能带水严 重 ，作用于 叶片上 的应力较 大 ，从断 口快速扩展 的疲 劳纹路 也可以得 到佐证。 另外， 该级前有 2 个抽汽口存在汽流干扰， 对叶片工作产生极为不利的影响，并加速叶片裂纹 的扩 展 。 2 0 0 0年更换汽轮机转子之前， 前轴封 3号档漏 汽接人疏水扩容器 ， 7号段抽汽温度正常， 所以第 2 0 级叶片运行 2 7年从未发生事故 。 将 3号档漏汽改为 接人 7号段抽汽 ， 之后第 2 0级 叶片已经连续 2次发 ( 下转第 2 7页) 维普资讯 2 0 0 5 no 3 hunan electr1 c p ow er vo 1 2 5 适( 见表 4 ) 。 表 4 内套筒调整结果 3 5 磨 煤机运 行工况 的调整 试验前，对制粉系统取样分析，结果见表 5 。 表 5 制粉系统 取样分析结果 cl cz c3 c4 表 5说 明：同一个 磨煤 机的 4根一次风管 出粉 细度极其不均 ，有 的相差 5 6倍 ，中间 2根粉细 ， ( 上 接 第 2 4页 ) 生断裂 事故 ，2 0 0 4年 2月 以后 ，机组运行时 由于汽 轮机 出现负差胀 ，轴封 中又加入较多新蒸汽 ，可能 使第 2 0 级叶片进入的蒸汽温度更高、 更多， 所以叶 片发生断裂 的运行时间更 短 。 6 叶片故障处理措施 对第 2 0级 断裂 的 1 ，9 4号 叶片和变形严 重 的 9 3 ，9 2 ，9 1 号叶片予以更换，其余变形量较小的叶 片进行整形、 校正和打磨； 第 2 1 级叶片打磨， 其中 2 7 ，4 4号叶片进行补焊。叶片更换后第 2 0级叶片 qa 。 型频率 1 4 6 1 5 7 hz ，频率分散率 7 4 7 ，都 在合格范围内。 检测第 2 o ， 2 1 级其它所有叶片元残 余裂纹，对变形和损坏的隔板进行修补并检查无裂 纹 。 根据上述叶片断裂原因分析，在检修中采取了 如下措施 ：调整前轴封间隙，尽量减小到标准规定 的下限值； 在前轴封 1 3号档漏汽引出管道和 7 号 段抽汽靠近抽汽口位置安装温度表和压力表 ，机组 带负荷运行时各种工况下测量上述管道的温度和压 力，分析 3 号档漏汽是否进入了汽缸内第 2 0 级叶 两侧粉粗 ， 相差 1倍左右 ， 煤量 对细度影响 比较大 。 这种 出粉 的不均衡性 ，是烟道 烟气能量不均衡 、出 口飞灰含碳量高的原因之一。因此，根据燃烧调整 试验数据 ， 首先调整了各磨煤机运行时的工作参数， 加强了磨煤机检修维护水平 ，然后根据各挡板开度 数值与实际挡板开度数值的不同，调整了各磨煤机 挡板 的开度 ，确保 了煤 粉细度在规定 范围内运行 。 4 结 论 运行实践表 明，低负荷稳燃能 力明显增 强 ，锅 炉运行 的稳定性有 了很大 的改善 ，基本解 决了过热 器 、再热器 管壁超温 问题 ，拓宽 了煤种适应性 。综 合测试结果为飞灰可燃物平均降低 2 ，稳定在 3 4 左 右 ，满足设计 4 的标准 ；发 电标 准煤耗 平均 降低3 g k w h ； 按照 全年发 电量 3 8 5亿 k w h 、 市场价标准煤