21东方300MW机组低压转子叶片断裂故障分析及处理.doc

东方300MW汽轮机低压转子叶片断裂故障分析及处理龙劲强 甘伏泉（湘潭发电有限责任公司，湖南 411102）摘 要：全面介绍了东方300MW汽轮机组低压转子反向四级叶片断裂引起机组振动大停机故障的分析、确定及处理过程，供叶片故障机组的抢修参考。关键词：汽轮机 低压转子 叶片断裂1 设备概况某厂#1汽轮机系东方汽轮机厂生产的N300-16.7/537/537-4(高中压合缸)的亚临界中间再热两缸两排汽凝汽式汽轮机，1997年投入运行。轴系由高中压转子、低压转子、发电机转子和励磁机转子组成，高中压转子与低压转子、低压转子与发电机转子之间用刚性靠背轮连接，发电机转子与励磁机用半挠性靠背轮连接（图1）。#1、#2五瓦块可倾瓦轴承为落地式，#3、#4椭圆瓦轴承座落在排汽缸上，#5、#6椭圆瓦轴承为端盖式，#7、#8轴承与励磁机一起座落在整体台板上。图1 机组轴系结构2 断叶片前后机组运行情况2004年8月27日9：45负荷200MW，AGC负荷控制方式，汽轮机顺序阀方式运行，机组运行正常。10：22 中调AGC给定负荷指令300MW，开始加负荷，缓慢升压。10：34 #1机负荷加到250MW，增开#2循环水泵。10：45 #1机负荷270MW、主蒸汽压力15.7MPa，主蒸汽温度533，再热蒸汽压力3.35MPa，再热蒸汽温度536。10：54 #1机负荷加至298MW。11：16 负荷301.51MW，主蒸汽压力15.7MPa，主蒸汽温度532，再热蒸汽压力3.55MPa，再热蒸汽温度540。突然，汽轮机轴振、瓦振多点同时增大报警，其中轴振1X为186m，#3轴承垂直瓦振由18m增至70m，轴振3X达237m、3Y为120m，#4轴承垂直瓦振增至49m，轴振4X达238m、4Y为121m，轴振7X为156m、8Y为105m。运行人员立即采取降负荷措施，并就地检查发现低压缸#3、4瓦有明显振动，约30秒内手动减负荷至169MW，此时，振动有轻微下降趋势但不明显。11：25分，负荷继续降至86MW时，值班员打闸，破坏真空停机。停机降速过程中，振动基本随转速降低而下降，但#3轴振X、Y下降较慢，机组转速到零后投盘车，盘车电流30A。3 振动原因分析、故障确定3.1机组振动情况停机后立即查看了机组振动在线监测系统记录数据和其他运行参数历史记录，机组加负荷过程和300MW负荷运行时，主再热蒸汽参数、排汽温度、真空、高低加水位、除氧器水位、汽机本体参数（缸温、胀差、轴向位移等）、各级抽汽参数、轴承油温油压等均正常，机组振动也正常。从振动记录数据列表可以看出，在11：15：53到11：16：03短短10秒钟内，#3瓦振从18m骤涨到70m，1倍频相位增加了135度，#3X轴振从55m上涨到237m，#3Y轴振从25m上涨到120m；#4瓦振从19m上涨到49m，1倍频相位也增加了104度， #4X轴振从36m上涨到238m，#4Y轴振从33m上涨到121m；#1X轴振从84m上涨到186m，#1轴振Y、瓦振都有所增加，而#2轴振、瓦振反而有所降低；#5、6瓦振略有上涨，#7、8瓦振变化不大（表1），低压转子振动变化曲线如图2。表1 #1机组振动突变前后具体数据 单位：m工 况轴承#1#2#3#4#5#6#7#811:15:53300MW轴振x84765536844313491轴振y4359253349446246瓦振1013181927918911:16:03300MW轴振x186552372387923156105轴振y563612012154327151瓦振13670493932166机组从减负荷到解列过程中，瓦振和轴振均略有下降，但下降幅度不大，停机降速过程中，振动基本随转速下降而降低，但#3轴振X、Y下降较慢，机组转速到零后投盘车，电流30A，与以前数据相比无明显变化。停机后对凝结水取样化验，硬度合格。图2 低压转子振动突变过程变化曲线3.2故障确定根据收集的机组运行有关参数、调出机组振动数据图形、查找厂家相关资料，在27日下午电厂组织有关专业人员进行的专题讨论会议上，初步分析认为，机组的振动变化形式为一力偶形式，在停机过临界时轴振无明显峰值，振动的主要分量为工频振动，#3、4轴瓦振动突发性增大的原因极有可能是汽轮机低压转子靠#3瓦侧存在围带飞脱或叶片断裂故障，使低压转子突然发生较大的质量不平衡，其他点振动增大可能也是由此引发，具体故障部位有待于汽缸冷却后进一步检查确证。29日进入低压缸检查两侧末级叶片完好，热水井内无金属可疑物。但盘车时高中压缸附近这时又听到明显的金属磨擦声，使得故障的判断变得更加复杂。为准确判断故障部位，防止错揭缸影响机组的抢修时间，特决定拆开低压内缸侧档板使用内窥镜进行仔细检查。9月2日，通过仔细地检查和查找，终于发现低压转子#3瓦侧第4级叶片断裂一片、部分围带飞脱。4 断叶片处理过程断叶片故障确定后，为争取时间进行抢修，将整个抢修过程进行了详尽的安排布置，通过与制造厂、中试所等单位的通力合作，从8月27日故障发生，至机组9月23日抢修完成开机并网，只用了28天时间。41 抢修过程安排见表2。序号项目内容完成时间一停盘车前的工作1工具材料准备、盘车检查试验9月4日17：002备品备件清查准备9月5日17：003低压转子损坏部位作详细检查9月4日17：004高压内缸下壁温度180时拆吊中低联通管和低压进汽短管，中压排汽口作好安措9月5日17：005低压外缸上测温元件及各轴承座上瓦振探头拆除9月5日12：006松低压外缸中分面螺栓9月5日24：007吊低压外上缸9月6日10：008低压缸中分面铺木板等安全措施9月6日17：009高中压内缸温度150时停盘车9月6日14：0010拆完低压内缸中分面螺栓9月7日8：00二低压缸解体1揭低压内上缸和拆吊各级上隔板、汽封体9月7日12：002停交流润滑油泵在9月7日2：003吊盘车装置9月7日12：004揭#2、3、4轴承，在#2、4轴承底部加临时垫片，拆中-低对轮和低-发对轮螺栓 ，并测量通流部分间隙数据9月9日8：005低压缸内、外上下缸，上下隔板及其汽封、汽封体、低压轴封进出汽管法兰等检查处理，翻#3、7、8轴承检查，励发对轮中心复查，发电机滑环检查9月14日24：006脱落叶片及围带查找9月12日24：007叶片及围带断脱原因分析9月14日12：008低压转子其它叶片、围带测频及金相检查9月16日12：00三低压转子叶片及围带处理1低压转子反向四级叶片及其围带处理技术方案确定并批准9月7日17：002东汽厂叶片及围带处理人员到位，专用工具到位9月8日12：003低压转子出缸交付处理9月9日8：004反向四级叶片销钉取出、拆卸完断叶片及围带所在组全部叶片9月9日24：005叶片加工尺寸传真回东汽厂9月10日9：006东汽厂加工完成叶片，空运发至现场9月11日20：007初装叶片、叶片厚度磨配、锁块磨配，叶片预测频合格， 9月14日17：009叶片装复完成后测频合格，现场铰销孔9月15日12：0010围带及销子尺寸传真回东汽厂9月15日13：0011围带及销子加工完成空运现场装复，装复锁紧销钉，叶片测频检查合格9月16日24：00四装复1低压转子反四级动叶片、围带更换完成（转子本身工作结束）、反向四级旧隔板拉钢丝检查中心9月17日12：002反向四级新隔板中心根据原隔板中心调整至合格9月17日21：003下半隔板、汽封体等装复，贴胶布准备检查通流间隙、低压转子进缸9月18日8：004扣低压上半隔板、汽封体、低压内上缸检查通流间隙；解体低压上半隔板、汽封体、低压内上缸，调整通流间隙至合格9月18日23：005清缸后正式扣低压缸9月19日20：006中低联通管装复9月20日12：007中-低对轮、低-发对轮螺栓连接、各道轴瓦恢复9月21日24：008启交流润滑油泵投盘车，润滑油压、启动油压整定9月22日8：009机组启动并网成功9月23日4：00表2 抢修过程4.2 断叶片及损伤隔板修复过程取出锁块销钉后，用行车拉锁块的方法取出反向第4级叶片锁块，再退出第14、15组共14个叶片。查原来的安装资料重新配准14块新叶片，根据新叶片的试装情况，对叶根进行了研磨，新锁块预留了0.90mm紧力。锁块最后到位后，单叶片频率296304Hz（表3），现场测量叶片间距，围带打孔加工安装铆接完成后，成组叶片QA0频率310Hz、QB0型频率1100Hz（表4）。叶片号#1#2#3#4#5#6#7#8第14组301296299304302.5297.5301299第15组297.5297.5297.5296302.5302.5/表3 锁块到位后新单叶片QA0型频率 单位：Hz组别号#1#2#3#4#5#6#7#8QAo频率310324324321317.5316320320组别号#9#10#11#12#13#14#15QAo频率317.5320319316310310310/表4 叶片围带修复后叶片组QA0型频率 单位：Hz新叶片和围带更换完成后，有关间隙检查测量合格，叶片组QAo型、QBo型和QA1型频率测量频率合格。故障损坏的反向第4级隔板更换为厂家另外提供的D300N机组配套隔板。5 叶片损坏情况低压转子对称布置，正反向各6级动叶片，反向第四级动叶片数116片加一个锁块，静叶片数82片。第四级叶片高度288/323mm，节圆直径1998mm，带小脚三对齿菌型叶根，双铆钉头围带分组，8片成组的13组，6片成组的2组在锁口前后。围带厚度5mm、宽度68mm，围带质量1.0191.408kg，围带材质1Cr12WMoV，叶片质量5.075.2kg，叶片材质AISI403。低压反向第4级隔板前有一个抽汽口供#7低加部分用汽，低压反向第4级隔板后相隔90位置有两个抽汽口供#8低加部分用汽。5.1 叶片损坏状况揭开低压缸吊出低压转子后，详细检查了低压转子和隔板损伤情况。低压反向第4级第14组第48片围带（围带剩余部分）、第15组围带全部飞脱，第15组#1叶片离根部168mm（相对叶高0.525）位置断脱，断口形貌呈典型的疲劳扩展状，叶片型线部分有少量黑色沉积物。断脱的叶片和围带挤伤该级上隔板电侧出汽边静叶片10片，叶顶阻汽边磨擦溶化，溶渣附着在后面级叶片和隔板上。此外，本级另有2个叶片叶型部分有轻微击伤凹痕。据上推断，第15组第6片叶片开裂后突然飞裂，将第15组6个叶片上围带全部拉出，并把相邻第14组5个叶片的围带带出与隔板围带相磨后断裂，隔板叶片系叶片击伤。图3 叶片、围带损伤情况图4 隔板损伤情况5.2 无损探伤结果为查明低压转子叶片及围带、隔板、转子大轴等金属部件损坏情况，特对正、反向第4级、次末级、末级叶片进行了的磁记忆检测、超声波探伤和渗透探伤综合检查；低压转子的大轴宏观检查和渗透探伤检查；其它级叶片、隔板和围带进行了宏观检查。经检测，主要发现如下缺陷：1）反向末级第9组第4号叶片据叶根约40mm处发现2条表面微裂纹，进行了修磨处理。2） 反向次末级第7组第8片距顶部40mm、第11组第7片距顶部80mm和第12组第4片顶部70mm处存在轻微击伤沟槽，修磨处理。3）反向第4级上隔板第817片叶片被严重击伤，反向第四级下隔板第2829片叶片被击伤，进行了更换；，因停机及时，叶片断裂对设备造成的损坏较小。6 叶片断裂原因分析6.1 断口观察因未破坏断口，故未进行电镜分析。借助放大镜对断口进行了观察，叶片断口形状呈现典型疲劳裂纹断裂的三个区域：高周低应力疲劳区、快速扩展区、拉断区，出汽边尖端可见一宽约20mm（外弧面尺寸，下同）表面平整、呈深褐色起始开裂区域，往后30mm区域为表面有点粗糙、呈褐色的疲劳裂纹缓慢扩展区，再往后30mm区域为肉眼可见疲劳文的快速控制区，最后40mm区域为瞬断撕裂区，瞬断区面积约占整个断口面积的1/4，见图3。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。6.2叶片、围带化学成分分析对断裂叶片、1个未断叶片和围带材质用芬兰进口ARC-MET930型直读光谱仪进行了分析，断叶片S元素稍偏高，围带W含量偏低，未断裂叶片C含量偏高，余正常。6.3 机械性能试验6.3.1拉伸、冲击试验结果取断口下方部分叶片和未断裂叶片进行了拉伸和冲击试验，各项指标均符合标准要求，结果如表5所示。性能指标叶片s(MPa)b(MPa)s()k(J/cm2)断叶片/74018.896未断叶片/75220.086AISI403钢标准性能5506901878v表5 拉伸和冲击试验结果6.3.2 硬度试验结果 断叶片硬度HB237，未断叶片HB247，符合标准HB217248要求。6.4 金相组织及显微硬度分析结果 取断叶片断口附近出汽边和未断叶片相应位置进行了金相和显微硬度试验，金相组织为回火马氏体，显微硬度Hv223237。但断叶片尖端存在宽约8mm与厚端正常组织有明显不同的灰色区域，原奥氏体晶界整周可见明显的析出物，显微硬度Hv达340以上，未断叶片不存在此现象。6.5 叶片频率试验结果97年安装时低压反向第4级叶片组QAo型311315Hz、QBo型频率1113Hz、QA1型频率1395Hz。2002年第二次大修时低压反向第4级叶片组QAo型319325Hz、QBo型频率11021122Hz。厂家给定该级叶片组QAo型频率合格范围295330Hz，叶片组QBo型共振范围36084715Hz，叶片组QA1型共振范围36904510Hz。低压转子出缸后，对叶片、围带、铆头、拉筋等部位的外表进行了详细检查，对围带与叶片、围带与围带、及铆钉与围带的间隙进行了测量，对低压正、反第4、6级叶片组和反向第4级单叶片频率进行了测量和评价，结果如下： 低压正向第4、6级和低压反向第6级叶片组QAo型频率都在厂家要求的合格范围内，低压正向第4级QBo型频率安全率足够。 叶片和围带损坏的低压反向第4级剩余的叶片组QAo型、QBo型和QA1型频率及单叶片QAo型也都在合格范围内。 低压反向第4级第14、15组围带飞脱后形成的单叶片QAo型频率为299310Hz之间，在合格范围内。6.7 断裂原因综合分析结果综上所述，东方汽轮机厂制造的某厂1机组低压转子反向第4级（次次末级）叶片断裂应系个性问题：1）从检查结果可知，只有该叶片发生了断裂，其他叶片均未发现裂纹；2）较其运行时间更长的多台同类型机组未曾发生过类似问题；3）叶片及叶片组频率测试合格；4）机组运行正常，虽然该级叶片工作在过渡区，工作环境恶劣，但该级叶片及围带表面未发现腐蚀坑和冲刷痕迹，表面沉积物较少。从材质理化性能试验结果来看，叶片各项机械性能指标均合格，材质化学成分基本合格，但断叶片出汽边金相组织异常，硬度明显超标，这应是引起这一起个性叶片断裂的直接原因，由于相对薄弱的出汽边组织和硬度异常，其局部力学性能指标低，抗疲劳性能差，运行时由于叶片振动疲劳致形成裂纹，慢慢扩展，最后使叶片断裂。7 抢修完成后机组振动情况修复后，于9月22日23:30机组启动，23:35转速500r/min检查，23:452:03转速1200r/min中速暖机，2:083:14转速2000r/min高速暖机，23日3:24机组到达3000r/min。中速暖机过程中，低压转子轴振动减小，高速暖机时低压转子轴振动有所增加，转子临界转速不明显，整个升速过程中低压转子轴振动在优良范围内（图5），3000r/min时机组振动如表6。图5 低压转子轴振动升速特性曲线4:22发电机并网带负荷，5:10负荷52MW，5:47负荷100MW，6:28负荷149MW，6:52负荷200MW，7:32负荷250MW，8:43负荷289MW，到24日8:45负荷一直稳定在279MW左右，带负荷过程低压转子轴振动变化如图6。图6 机组带负荷过程低压转子轴振动变化工 况#1#2#3#4#5#6#7#84:12并网前3000r/minX3665734458621259417/27245/14958/13539/26151/22557/279122/8585/283Y264935363