汽机专业金属监督课件.ppt

1 电厂汽机专业金属技术监督 吕煜 2 目录 概述 常见事故案例 关键部件失效分析 汽机专业金属监督重点 3 概述 汽机作为火力发电机组关键部件 一直以来都是金属技术监督的重点 汽机主机及其附件的安全稳定直接关系到机组的经济性和安全性 4 概述 汽机专业重点金属监督部件包括 汽轮机转子及其附件 发电机转子及其附件 高温螺栓 M32 对轮螺栓 汽缸 汽室 主汽门 调速汽门及其他阀门 汽机侧主蒸汽 高温再热蒸汽管道及附件 5 概述 汽轮机转子及其附件主要监督部件 转子体 转子轴颈 变截面R弧 汽封槽 轴端面 中心孔 叶片 叶根 拉金围带 平衡孔 调节级 轴向键槽 调速级叶轮侧平面 轴瓦 推力瓦 发电机转子及其附件主要监督部件 转子 转子轴颈 变截面R弧 护环 风冷扇叶 轴瓦 推力瓦 高温螺栓 对轮螺栓监督部位 螺纹处 螺栓杆 汽缸 汽室主要监督部位 高温 变截面 补焊区 现场补焊部位 6 概述 5 主汽门 调速汽门 平衡环及其他阀门监督部位 阀体 变截面处 补焊区 现场补焊部位 6 主蒸汽 再热蒸汽管道及附件主要监督部件 直管 弯头 弯管 对接焊缝 三通 异径管及与其相连的疏水管 空气管 压力表管及温度测点等 7 概述 目前 电站汽机专业金属技术监督工作主要依DL T438 2009 火力发电厂金属技术监督规程 中国大唐集团公司火电金属技术监督制度 及 火力发电厂高温紧固件技术导则 该标准为中华人民共和国电力行业标准 8 概述 DL T438 2009对汽机专业金属监督分为安装前的质量检验和机组运行期间的检验监督两个部分 标准规定了汽轮机金属监督的部件范围 工作温度 400 的高温承压部件 含主蒸汽管道 高温再热蒸汽管 阀壳和三通 以及与其相联的小管 b 工作温度 400 的导汽管 联络管 e 汽轮机大轴 叶轮 叶片 拉金 轴瓦和发电机大轴 护环 风扇叶 f 工作温度 400 的螺栓 g 工作温度 400 的汽缸 汽室 主汽门 调速汽门 喷嘴 隔板和隔板套 9 常见事故案例 近几年来 行业内发生多起汽轮机汽缸裂纹 螺栓断裂 叶片断裂 大轴开裂等关键部件失效导致的机组非停事故 尤其是因叶片断裂引发的事故接连发生 下面分类介绍不同设备引发的事故案例 希望能引起大家足够的重视 避免同类事故再次发生 10 常见事故案例 汽缸结合面裂纹 11 常见事故案例 叶片裂纹 叶片断裂 12 常见事故案例 发电机护环断裂 13 常见事故案例 静叶裂纹 静叶磨损及修复 14 常见事故案例 导汽管裂纹 导汽管裂纹 15 常见事故案例 主汽管焊缝裂纹 16 常见事故案例 主蒸汽管道材质用错引发管道胀粗 裂纹 17 常见事故案例 主汽疏水管管座裂纹 18 常见事故案例 导汽格栅断裂 19 常见事故案例 高调门门杆断裂及修复 20 常见事故案例 螺栓断裂 轴瓦脱胎 21 关键部件失效分析 关键部件失效分析主要从高温螺栓 汽缸 转子轴体汽轮机叶片 轴瓦 汽机侧主汽管等几个方面进行分析 22 失效分析 高温螺栓 高温螺栓是汽轮机的关键部件之一 它连接汽缸法兰和阀门兰 在汽轮机运行期间保证高温蒸汽的密封 工作条件非常苛刻 常见的材质 汽轮机汽缸螺栓 材质包括C422 2Cr12NiMoWVV TiB 20Cr1Mo1VTiB 25CrMoVA 25Cr2Mo1VA 30Cr1Mo1V 20Cr1Mo1VNbTiB R 26 镍钴铁基高温合金 GH4145 即镍钴合金 等 高温螺栓 23 失效分析 高温螺栓 常见的问题 硬度超标 裂纹 螺纹磨损 失效形式 脆性断裂 断裂原因 高温蠕变 应力腐蚀 制造或装配不当 产生后果 阀门卡涩 蒸汽泄漏等 24 失效分析 高温螺栓 高压内缸螺栓断裂事故 施工不规范 东方汽轮机厂生产的型号为NC300 160 12 7 535 535汽轮机组 投产运行时间超过5万小时 高压内缸螺栓3条在运行期间发生断裂 螺栓材质为20Cr1Mo1VNbTiB 规格为M120 4 1030mm 25 失效分析 高温螺栓 断裂螺栓螺纹损伤位置 螺栓断口 26 失效分析 高温螺栓 在断裂面上打磨后进行硬度检验 其中 B 处靠近边缘硬度为 255HB 252HB 249HB C 处心部硬度为 233HB 228HB 230HB D 处心部硬度为 233HB 233HB 231HB 按DL T439 2006 火力发电厂高温紧固件技术导则 20Cr1Mo1VNbTiB硬度范围为252 302HB 27 失效分析 高温螺栓 断裂起源区组织形貌100 断裂起源区组织形貌500 28 失效分析 高温螺栓 原因分析 经过金相组织 硬度 光谱分析 发现材料本身没发现有大的问题 但断裂螺栓都存在有部分螺纹损伤 严重影响螺栓的受力分布 导致螺栓在运行过程中沿螺纹损失位置断裂 应为检修安装过程中损坏的螺纹 建议加强安装质量监督 29 失效分析 高温螺栓 中压调门活塞套螺栓断裂事故 制作工艺不良 螺栓分布状况 螺栓断口 30 失效分析 高温螺栓 完好的螺栓 断裂的螺栓 31 失效分析 高温螺栓 断裂面放大形貌 断裂面裂纹尖端形貌250 32 失效分析 高温螺栓 原因分析 断裂螺栓材料出现粗晶组织 使得螺栓冲击韧性和持久塑性降低 造成性能劣化 加之螺杆与内六方螺栓头的转角处无倒角 致使在转角处产生明显应力集中 在使用时 因预紧力过大或承受冲击等原因 在有应力集中存在的螺杆与内六方螺栓头的转角处产生沿晶裂纹而出现迅速的脆性断裂 33 失效分析 高温螺栓 GH4145 SQ合金螺栓断裂事故 GH4145合金主要是以 Ni3 Al Ti Nb 相进行时效强化的镍基高温合金 在980 以下具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能 800 以下具有较高的强度 540 以下具有较好的耐松弛性能 同时还具有良好的成形性能和焊接性能 但使用中有较强的环境敏感性 主要使用在上汽 哈汽产的300MW机组 化学成分 34 失效分析 高温螺栓 目前 因GH4145 SQ合金螺栓断裂引发的事故国内已发生几十起 通过对已发生GH4145 SQ螺栓断裂的机组进行统计 断裂比例最高的是高压内缸定位螺栓 次之是中压内缸定位螺栓 断裂数量最多的是高压静叶持环双头螺栓 次之是高压内缸双头螺栓 35 失效分析 高温螺栓 GH4145 SQ螺栓常见断裂位置1 螺纹与螺杆圆弧过渡处 2 定位凸台 3 定位凸台与螺杆的圆弧过渡处 GH4145 SQ螺栓断口形貌 36 失效分析 高温螺栓 GH4145 SQ螺栓断口裂纹形貌 100 37 失效分析 高温螺栓 机组类型 上汽 哈汽生产的300MW汽轮机组常见位置 高压内缸螺栓 中压内缸螺栓 高压静叶持环螺栓 高压平衡活塞螺栓失效形式 脆性断裂断裂原因 蠕变脆性 时效脆性 环境敏感脆性及预应力高等综合作用引起的沿晶断裂 38 失效分析 高温螺栓 高温螺栓技术监督小结 从上述事故可以看出 由于检修拆卸不当 加工制造不合格及材质原因都有可能引发螺栓开裂 在选材 拆卸 定期监督检验工作中应严格按照DL T439 2006 火力发电厂高温紧固件技术导则 要求执行 39 失效分析 汽缸 汽缸 汽缸作为汽轮机关键部件之一 一般采用铸钢材料 结构特点 汽缸截面厚度变化大 进汽端形状复杂 特别是法兰处厚度非常大运行环境 汽缸内外壁 法兰内外壁温差悬殊 热应力大 温度变化产生热交变应力作用 同时 汽缸内还承受蒸汽压力 静止部分的重力用常见问题 容易发生变形和开裂 40 失效分析 汽缸 600MW机组高中压内缸变形 汽缸变形 41 失效分析 汽缸 造成汽缸变形的主要原因如下 1 运行中汽缸壁内外 法兰内外温差较大 造成法兰结合面漏汽 汽缸上 下温差过大导致动静部分相摩擦或振动 2 汽缸去应力退火不当 或运行中满水 水击等 都会引起变形 3 汽缸在高温下工作 各部分温度不同 蠕变速度不一 从而引起变形 4 汽缸加工完后时效时间不够 残余应力较大 在运行过程逐渐释放 导致缸体变形 42 失效分析 汽缸 汽缸开裂 300MW机组高压内缸结合面裂纹 600MW机组高中压缸缸体裂纹 43 失效分析 汽缸 造成汽缸开裂的主要原因如下 1 汽缸长期在高温下运行 出现蠕变 脆性增加 2 冶金过程中铸件内部出现裂纹 白点 夹渣等 是造成蠕变裂纹和热疲劳裂纹的根源 3 热处理不当导致材料组织不均匀 而使持久强度和持久塑性下降 4 长期高温运行使汽缸材料组织发生变化 运行中的低频热应力和蠕变的联合作用更易出现裂纹 44 失效分析 汽缸 汽缸技术监督小结 省内新投产的机组中有很多汽缸在第一次大修时均发现有不同程度的变形 主要是由于前几年机组上马较快 汽缸铸造成型后时效形变时间不够 导致缸体运行过程残余应力逐渐释放引发缸体变形 监督重点 缸体变形后蒸汽会对螺栓杆中部产生冲蚀 揭缸后应重点检查缸体螺栓螺杆位置 对于出现裂纹的汽缸可采用彻底挖除裂纹并进行补焊的方法加以消除 下次检修应加强对补焊位置的无损检测 45 失效分析 转子轴体 转子轴体 转子在运行过程中要承受扭距和自重引起的弯应力 温度梯度和温度变化的热应力 离心力 热套力 振动力和发电机短路力距 其工作条件十分恶劣 汽轮机转子轴体的金属事故主要是叶轮 主轴 转子 的变形及开裂 转子断裂将造成严重事故 应引起十分重视断裂的起因是出现裂纹 转子发现第一条宏观裂纹 在大型汽轮机中往往作为汽轮机工作寿命结束的标志 46 失效分析 转子轴体 叶轮严重磨损 47 失效分析 转子轴体 转子产生裂纹的主要原因如下 1 在热交变应力 低频热应力 和蠕变联合作用下出现裂纹 2 截面交界处过渡圆角偏小 存在刀痕等原因会导致机械应力或热应力集中 在交变应力作用下产生裂纹 3 材质不良 存在严重冶金缺陷而导致裂纹产生 4 运行不当而引起损坏 如启 停机 变负荷等情况下 温度变化率及温度变化量过大 引起热应力过大等 48 失效分析 叶片 汽轮机叶片 汽轮机转子叶片作为高速转动部件 是机组的关键部件之一 汽轮机动叶片又称为工作叶片 主要起传递动力的作用 49 失效分析 叶片 汽轮机叶片的损坏形式主要是疲劳断裂 根据叶片的断裂或损伤的部位可分为三种类型 1 叶冠或叶顶失效 2 叶身断裂失效 3 叶根断裂失效 50 失效分析 叶片 叶身裂纹 断裂 51 失效分析 叶片 叶根裂纹 断裂 52 失效分析 叶片 击伤叶片 53 失效分析 叶片 拉金断裂 54 失效分析 叶片 通过上面的图片我们可以看出 一旦发生叶片断裂 将导致整级叶片全部受损 由此带来的设备更换费用及机组停运产生的经济损失是难以估量的 因此 作为技术监督人员 要了解叶片的运行特性 分析导致叶片断裂的原因 重点开展有针对性的检验工作 及时发现安全隐患 做到防患于未然 从而保障设备的长期安全稳定运行 55 失效分析 叶片 汽轮机末级叶片的损坏形式主要是疲劳断裂 按照叶片断裂的性质可分为六种 1 短期超载疲劳损坏2 长期疲劳损坏3 高温疲劳损坏4 应力疲劳损坏5 腐蚀疲劳损坏6 接触疲劳损坏等 56 失效分析 叶片 短期超载疲劳损坏 这种损坏是指叶片受到外加较大应力或受到较大激振力 而振动次数低于107次就发生断裂的机械疲劳损坏 如叶片受到水击而承受较大的应力 或因转子不平引起振动及安装不良存在周期力等较大的低频激振力 当这些力引起叶片共振时 叶片会很快断裂 叶片短期超载疲劳损坏的宏观特征为 断面粗糙 疲劳前沿线 即贝壳纹 不明显 断面上疲劳区面积小于最终静撕断区面积 经受水击而损坏的叶片的断面呈 人 字形纹络特征 防止短期超载疲劳损坏的主要方法是 防止水击 作好消除低频共振的调频及在正常周波下运行 57 失效分析 叶片 长期疲劳损坏 长期疲劳损坏是指叶片运行中承受低于疲劳强度极限而应力循环次数又远高于107次发生的一种机械疲劳损坏 造成长期疲劳损坏的原因有 叶片或叶片组在高频激振力作用下引起的共振损坏 叶片表面缺陷处出现局部应力集中而发生的疲劳损坏 低频率运行 超负荷运行使某些级的叶片应力升高导致提早损坏等等 长期疲劳损坏在电厂叶片断裂事故中最为常见 防止长期疲劳损坏的办法是 按规定避开高频激振力共振范围 提高叶片加工质量和改善运行条件 如防止低周波 超负荷运行 防止腐蚀和水击等 58 失效分析 叶片 高温疲劳损坏 高温疲劳损坏是指由蠕变和疲劳共同作用所形成的介于静应力产生的蠕变和动应力产生的疲劳之间的一种损坏形式 裂纹源部位呈蠕变现象 断裂性质为持久断裂和疲劳断裂的组合 而且往往伴随着材料组织的变化 高温疲劳损坏裂纹基本上是穿晶的 断口宏观貌有贝壳花纹 断口微观貌有较厚的氧化皮 高温疲劳损坏发生在高压缸前几级叶片 中间再热式汽轮机中压缸前几级叶片以及中压汽轮机的调速级叶片 防止高温疲劳损坏的措施 选用高温性能好的金属来制造处于高温下工作的叶片 防止叶片共振 防止叶片径向和轴向相摩擦 59 失效分析 叶片 应力腐蚀损坏 产生应力腐蚀的主要原因是 首先 金属晶界偏析 析出碳化物 出现贫铬区 使晶界腐蚀 其次 应力作用 然后 高浓度盐的腐蚀 应力腐蚀主要发生在2Cr13钢制造的末级叶片上 其断口形貌呈颗粒状 微观形态是沿晶界裂纹 断面上有滑移台阶 并有细小腐蚀坑 防止叶片应力腐蚀损坏的主要措施是 改善汽水品质 提高叶片材质 降低叶片动应力等 60 失效分析 叶片 腐蚀疲劳损坏 腐蚀疲劳损坏是叶片在腐蚀介质中受交变应力作用而引起的疲劳损坏 如损坏是以机械疲劳为主 则裂纹发展迅速 裂纹为穿晶型 如损坏是以应力腐蚀为主 则裂纹发展较慢 裂纹主要是沿晶型 防止腐蚀疲劳损坏的主要措施是 提高叶片材质耐腐蚀性 降低交变应力水平 改善汽水品质 61 失效分析 叶片 接触疲劳损坏 接触疲劳损坏是由于叶片根部松动 叶根参加振动 使叶根之间或叶片与叶轮机接触面产生往复微量相对摩擦运动而造成的一种机械损坏 由于摩擦表面材料晶体滑移和硬化 使硬化区内产生许多平行的显微裂纹 并不断扩展 从而引起疲劳断裂 摩擦裂纹和摩擦硬化现象同时并存是接触疲劳损坏的主要基本特征 摩擦硬化和摩擦裂纹仅存于接触部位表面 防止接触疲劳的主要措施是 改善叶片接触面的紧贴程度 增加接触面积以防止接触点接触的应力集中 消除或减弱调频叶片的振动力 62 失效分析 叶片 汽轮机叶片技术监督小结 通过上述分析 防止疲劳损伤 提高末级叶片可靠性的措施总结如下 1 提高材料的抗疲劳性能2 严格控制蒸汽的化学品质3 改进叶片的结构设计4 采用合理的装配工艺 在机组检修期间 应把末级叶片作为每次检修的重点项目 对高中压转子末级叶片 叶根和低压转子末1 3级叶片 叶根进行100 的检验 并对同类机组叶片断裂多发区域和锁紧叶片销钉孔位置 尽可能采用多种无损探伤手段 进行重点监督检验 63 失效分析 静叶隔板 静叶隔板 汽轮机隔板静叶片又称为导向叶片 主要起导向流体的作用 近年来 国内外汽轮机末级隔板制作室 隔板与静叶均采用焊接固定 而焊缝的焊接质量直接影响隔板强度和刚度 即直接影响汽轮机运行的安全性 组成 主要由隔板体 静叶片和隔板外缘 常见的缺陷 隔板焊缝开裂 静叶裂纹 64 失效分析 静叶隔板 静叶脱落 焊缝裂纹 65 失效分析 静叶隔板 静叶表面开裂 66 失效分析 静叶隔板 静叶隔板是汽轮机最重要部件之一 一旦发生事故将会给电厂造成重大经济损失 加强设备制造质量监督检验 严格控制原始缺陷的产生 从源头上控制此类缺陷的产生是解决此类问题的根本途径 在检修过程中对静叶隔板焊缝进行监督检验 避免同类事故发生 静叶隔板技术监督小结 67 失效分析 轴瓦 轴瓦 轴瓦的主要作用是 承载轴颈所施加的作用力 保持油膜稳定 使轴承平稳地工作并减少轴承的摩擦损失 轴瓦分为轴向推力瓦和径向瓦 径向瓦起到支撑转子和转动部分的作用 推力瓦承担轴向定位和轴向推力的作用 是重要的静止部件 68 失效分析 轴瓦 脱胎 裂纹 69 失效分析 轴瓦 原因分析 轴瓦损坏主要原因概括来说有三点 1 轴瓦表面钨金浇注时质量不过关 特别是小作坊类厂家生产的轴瓦 2 汽轮机在正常运行或启停过程中 由于轴承润滑油突然中断或油品质恶化 使轴承油膜无法建立或破坏 导致轴瓦损坏 3 汽轮机在正常运行或启停过程中 由于轴承内有杂物 轴系中心偏移等原因引起转轴与轴瓦之间产生动静摩擦 造成轴瓦损坏 70 失效分析 主汽管道 主蒸汽管道 主蒸汽管道是火力发电厂热力设备的重要高温高压部件 具有输送工质流量大 参数高 管道长且要求金属材料质量高的特点 对发电厂运行的安全 可靠 经济性影响很大 在长期高温及高应力的作用下 将会逐渐导致材质的老化和性能的下降 特别在弯头和焊缝等部位产生早期蠕变损伤和裂纹 同时 管道支吊架因安装 改造 长期运行等原因造成的损坏 失载和超载 将引起管道局部应力的增加 从而加速蒸汽管道的老化速度和蠕变损伤速度 71 失效分析 主汽管道 对接焊缝裂纹 165WM机组主汽管道对接焊缝裂纹缺陷 72 失效分析 主汽管道 母材组织250X 焊缝组织250X 73 原因分析 失效分析 主汽管道 管道设计材质为15Cr1Mo1V 压力13 73MPa 温度560 5 主蒸汽管道实际运行温度为560 硬度和金相检验表明 管道发生了材质劣化和组织老化现象 对焊缝裂纹分析认为其呈沿晶开裂的特征 周围有微裂纹及尺寸较大的蠕变孔洞 表明其开裂性质为蠕变开裂 由此推断与局部运行温度高 温度与材料强度不匹配 局部应力大有