叶片断裂事故的分析与处理

叶片断裂事故的分析与处理

0次技术改造后机组的振动情况抚顺石油公司6号机组为cc25-90/10/1.2双抽冷式机械。该机组1989年安装投运,2001年进行第二次技术改造,同时对部分叶片进行更换。机组运行状况一直比较平稳,振动水平在标准以内。2004年机组进行揭缸大修时发现第19级动叶片损坏严重。为了解决此次事故,做了一系列的试验和分析,最终成功地找到了事故的产生原因和适当的解决办法。1动叶片组织结构机组的第19级是次末级,共有120片动叶片,材质为2Cr13不锈钢。叶片工作部分高度313mm,叶片平均直径1488mm。叶根为叉形叶根,叶根铆钉材质为25Cr2MoVA。拉筋材质为1Cr13不锈钢,直径为8mm和12mm两种。转子第19级动叶片中,1片动叶片断裂,5片动叶片开口,12片动叶片出汽边被打成严重变形,2片动叶片变形较轻,2片动叶片经过着色检验发现有裂纹,断裂叶片的拉筋拉坏,转子第19级叶片的下一级隔板上有划痕。从汽轮机看向发电机方向,以双拉筋连在一起的叶片定为一组,断裂叶片所在组为第一组,断裂叶片为第1片叶片,顺时针分组,共计16组。其中2、6、10、14组为9片叶片一组,其余12组均为4片叶片一组。5片开口动叶片分别为第14组第1、2、3片叶片和第15组第6、7片叶片。14片变形动叶片分别为第14组第4、5、6、7、8片叶片和第15组第1、2、3、4、5片叶片以及第16组第2、3、4、5片叶片。经着色检验发现的两片有裂纹叶片分别位于第4组第1片叶片和第16组第1片叶片。第4组第1片叶片在出汽边有一横向裂纹,距叶顶约220mm,长约30mm。第16组第1片叶片在出汽边也有一横向裂纹,距叶顶约210mm,长约10mm左右。断裂叶片(第1组第1片叶片)断为三部分,断脱的两部分在下汽缸内和下一级隔板内找到。事故可以断定为第1组第1片叶片、第4组第1片叶片和第16组第1片叶片首先产生疲劳裂纹,继而引发第1组第1片叶片断裂,打伤其余19片叶片所致(见图1)。2试验结果的基本表征动叶片断裂原因很多,例如:动叶片材质不合格;动叶片振动特性在设计与实际运行中存在差异导致动叶片共振;叶片的结构不合理,动应力集中;叶根设计不合理,动强度不足;制造时在圆角、倒角处的制造精度不够,运行中易产生微裂纹;装配、安装不当引起叶根松紧不一;运行中汽轮机出力或汽缸流量超过设计限额;蒸汽湿度过大或汽缸进水造成水击;蒸汽品质不好,易形成腐蚀等。在分析事故原因的过程中需要根据机组运行情况具体分析。分析过程如下:(1)对损坏叶片进行光谱分析发现,叶片材质为2Cr13不锈钢,与图纸上一致。但是,叶片材质中碳和氧的含量属于正常偏高。(2)从损坏叶片上刮取垢样进行化验,化验结果表明:垢物主要是由SiO2类的微晶体组成,不存在NaOH和NaCl产物,这说明汽水品质合格,不存在腐蚀断裂的可能性。(3)由于发生断裂的叶片为第19级,而与其相邻的第18、20级叶片均正常,从而可以初步排除末级叶片末级湿度大,长期运行造成末级叶片水击产生疲劳断裂的可能。(4)由于仅有第19级叶片损坏,而其它各级叶片正常的现象,还可排除有水突然进入汽缸发生水冲击和主蒸汽含水的可能。但我们还是对机组低加汽侧疏水系统进行了低加水侧灌水泄漏试验,结果正常,从而排除了汽侧疏水系统异常,使水倒灌入汽缸而引起叶片断裂事故的可能性。(5)对断裂叶片的断口进行了宏观和微观观察。宏观断口表明:断口具有明显的疲劳特征,叶片出汽边为疲劳源区,进汽边为快速断裂区,中间部分为疲劳裂纹扩展区。断口在放大的状态下,可以见到与裂纹扩展方向相垂直的贝壳线。在电镜下还可以看到表征疲劳纹扩展的疲劳辉纹。另外,对断口进行能谱分析,可以证明疲劳源区无腐蚀产物及腐蚀坑的存在。经着色检验发现的两片有裂纹叶片则是属于金属疲劳产生的,外观未发生变形。(6)对第19级叶片的振动特性进行了动叶片切向A0型振动频率测试分析。此次动叶片切向A0型振动频率试验采用自振法。将传感器搭在动叶片的出汽边,用橡皮锤沿切向敲击动叶片顶部或围带来激振动叶片,使动叶片做自由衰减振动,传感器将所拾到的振动信号输入小野频谱分析仪及示波器来进行频谱分析,最后经过分析和计算得出动叶片切向A0型振动频率。主要计算公式如下:动叶片切向A0型振动频率分散率计算公式:Δf=2(fmax−fmin)fmax+fmin×100%Δf=2(fmax-fmin)fmax+fmin×100%式中,△f为动叶片切向A0型振动频率分散率;fmax为该级动叶片切向A0型振动静频率最大值,Hz;fmin为该级动叶片切向A0型振动静频率最小值,Hz。动叶片切向A0型振动动频率计算公式:fd=Φt⋅f2+B⋅n−−−−−−−−√fd=Φt⋅f2+B⋅n式中,fd为动叶片切向A0型振动动频率,Hz;f为动叶片切向A0型振动静频率,Hz;n为汽轮机工作转速,r/min;B为动叶片切向A0型振动动频系数,B=0.72Dl−1B=0.72Dl-1;D为该级动叶片平均直径,m;l为该级动叶片工作部分高度,m;Φt为温度修正系数,Φt=Et/E−−−−−√Φt=Et/E;Et为动叶片工作温度下的弹性模量,MPa;E为动叶片试验温度下的弹性模量,MPa。第19级动叶片的静频率见表1。从上述试验结果可以得到整级叶片切向A0型振动的频率分散率为20.9%,远远大于根据《汽轮机调频叶片振动强度安全准则》得到的整级叶片切向A0型振动的频率分散率应小于或等于8%的要求。同时,根据《汽轮机调频叶片振动强度安全准则》,本级动叶片的动频率不应在300±7.5Hz范围内。现在第15组叶片的静频率为293Hz,其动频率为303.1Hz,不符合上述规定。经分析是由于有部分分组的拉筋开焊、叶根紧力不足造成的。3次职业调湿机叶片损伤的频率分散通过以上现象可以得出以下结论:(1)叶片材质化学成分合格,但是叶片材质中C和O的含量均偏高,使叶片的韧性降低,从而也降低了叶片的抗疲劳应变的能力。(2)叶片的断裂不是由腐蚀而引起的。(3)叶片的断裂是由疲劳引起的。(4)叶片断裂是由叶片频率不合格造成叶片振动疲劳引起的。在第一次叶片调频处理时,将第2、9、10、11、15、16六组进行调频处理,即将动叶片开焊的拉筋重新进行补焊,更换部分销钉。调频处理后的整级叶片切向A0型振动的频率结果见表2。从调频结果看到频率分散率为22.3%,仍远远大于8%,未见改善。造成叶片组频率分散率大的主要原因是第1、2、15、16组叶片频率低于300Hz。尤其是第16组叶片频率仅为263Hz。但此时已没有用来调整叶根紧力的加厚叶片了。于是只有取下6片叶片返厂处理。用叶片根部贴合面表面施银焊的措施来增加叶片厚度,提高安装紧力。叶片根部贴合面表面施银焊后,6片叶片根部贴合面大约增厚0.5mm。叶根表面增厚后的叶片频率见表3。第二次调频后的叶片频率分散率为6.59%,完全达到频率分散率标准。调频后的叶片最低频率是308Hz,其动频率为317.7Hz,达到了避开300Hz±7.5Hz的要求。4u3000叶片振动造成的错误由于叶根紧固力不足造成叶片断裂的情况在机组运行中较少出现。此次事故产生的原因通过分析可以认定是由于2001年技术改造时,整级叶片重新安装,安装质量不佳,导致叶片频率共振安全裕度太小,机组运行时产生叶片振动,使叶片组产生疲劳裂纹,最终导致叶片断裂。经过对6片叶片根部贴合面表面施银焊加