直接空冷機(jī)組空冷島軸流風(fēng)機(jī)葉片斷裂分析

周凱

(華能銅川電廠，陜西 銅川 727100)

0 引言

華能銅川電廠一期為2臺(tái)600 MW直接空冷機(jī)組，采用NZK600-16.7/538/538型汽輪機(jī)，#1和#2機(jī)組于2007年年底通過168 h試運(yùn)行。

直接空冷系統(tǒng)的流程為：從汽輪機(jī)低壓缸排出的乏汽，經(jīng)由2根?6 000 mm的排汽管道引到廠房外，垂直上升到35 m高度后，分出8根?3 000 mm的蒸汽分配管，將乏汽引入空冷凝汽器頂部的配汽聯(lián)箱。

當(dāng)乏汽通過配汽聯(lián)箱流經(jīng)空冷凝汽器的翅片管束時(shí)，大量的冷空氣被軸流風(fēng)機(jī)吸入，通過翅片管的外部進(jìn)行表面換熱將熱量帶走，從而使乏汽凝結(jié)成水，凝結(jié)水由凝結(jié)水管收集起來排至凝結(jié)水箱，由凝結(jié)水泵升壓，送往熱力系統(tǒng)完成熱力循環(huán)。

每臺(tái)機(jī)組空冷島配套56臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)裝有5個(gè)葉片，風(fēng)機(jī)葉輪直徑9.14 m，葉片設(shè)計(jì)壽命150 000 h，該風(fēng)機(jī)葉片由國(guó)內(nèi)某知名制造廠家供貨?？绽鋶u軸流風(fēng)機(jī)是關(guān)鍵零部件之一，其性能的優(yōu)劣，不僅影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而且影響機(jī)組的可靠性。

1 #2機(jī)組風(fēng)機(jī)葉片斷裂情況分析

1.1 3列7號(hào)風(fēng)機(jī)葉片斷裂情況分析

2008年8月，#2機(jī)組3列7號(hào)風(fēng)機(jī)4葉片破損，編號(hào)為002207和002213的2個(gè)葉片完全破碎，編號(hào)為002199和002195的2個(gè)葉片部分破裂，編號(hào)為002314的葉片外觀完好。葉片斷裂情況如圖1所示，圖中：1為002207，2為002213，3為002199，4為002195，5為002314。

圖1 #2機(jī)組3列7號(hào)風(fēng)機(jī)葉片斷裂情況

從現(xiàn)場(chǎng)破損風(fēng)機(jī)的斷裂面來看,只有葉片1(002207)有陳舊性創(chuàng)面，而這個(gè)葉片是葉輪逆時(shí)針方向的第1個(gè)破損葉片，且緊靠完好的葉片5(002314)。其余葉片的創(chuàng)面全部是新的，由此可以判定，葉片1(002207)是第1個(gè)失效的葉片。

定義葉片朝向管束方向的為X面，朝向地面的為O面。 葉片1(002207)斷裂面在O面上是陳舊性裂紋，表面整體平滑，有玻璃鋼粉末。X面的斷裂面為新創(chuàng)面，纖維整體呈放射狀，表明是在瞬間強(qiáng)大拉力下失效的。由此判斷，裂紋最先在O面發(fā)生并且隨時(shí)間向纖維深處延伸，到一定程度X面受力過大而造成纖維拉斷。

首先，葉片1(002207)瞬間斷裂，斷裂下來的葉片與高速旋轉(zhuǎn)的葉片2(002213)碰撞解體并造成葉片2折斷，由于葉片2吸收了大部分動(dòng)能，因此剩余的碎片對(duì)葉片3(002199)和4(002195)沖擊力相對(duì)較小，葉片3(002199)和4(002195)部分破裂，葉片5(002314)沒有受到任何沖擊，所以外觀完好。

1.2 4列7號(hào)風(fēng)機(jī)葉片斷裂情況分析

2008年9月，#2機(jī)組4列7號(hào)風(fēng)機(jī)一個(gè)葉片斷裂,造成其他葉片被打壞。圖2所示軸徑為風(fēng)機(jī)上逆時(shí)針損壞的第1個(gè)葉片 002357，葉片的O面為陳舊性創(chuàng)面，上有玻璃鋼粉末，X面為新創(chuàng)面，呈放射性。其余葉片無陳舊性創(chuàng)面，所以002357為第1個(gè)失效的葉片，失效后與其余葉片相撞，導(dǎo)致其他葉片損傷。所以，4列7號(hào)風(fēng)機(jī)失效情況與3列7號(hào)風(fēng)機(jī)相同。

圖2 #2機(jī)組4列7號(hào)風(fēng)機(jī)葉片斷裂情況

1.3 原因初步判斷

葉片變截面是受力最集中的部位，正常工況中，葉片要承受向下的壓力，X面要承受較大的拉力，故葉片失效絕大部分是從X面開始的。

通過了解葉片制造商情況，得知該葉片制造商有超過40年的制造經(jīng)驗(yàn)，但從未發(fā)現(xiàn)過葉片由于O面原因而失效，該制造商自2005年至今制作了超過15 000個(gè)葉片，在其他現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)生過葉片失效的情況。初步判斷，葉片從O面失效是由安裝時(shí)發(fā)生的異常情況引起的。

2 葉片安裝情況回顧

2007年11月，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查人員在進(jìn)行#2機(jī)組試運(yùn)行前檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉片大部分有受損情況，輕微的有外觀劃痕，嚴(yán)重的有外觀破損等情況。檢查發(fā)現(xiàn)：大部分葉片表面有劃痕和磕碰痕跡；有97個(gè)葉片表面缺陷需要修復(fù)；有3個(gè)葉片受損嚴(yán)重只能報(bào)廢；有8個(gè)不銹鋼U形螺栓被更換成了安裝公司自制的鋼螺栓；有約150個(gè)不銹鋼特殊螺紋涂層的螺母被安裝公司更換成了普通螺母。部分受損嚴(yán)重葉片如圖3～9所示。檢查后，葉片制造商派人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)外觀缺陷葉片進(jìn)行了修復(fù)。

圖3 背風(fēng)面嚴(yán)重破損

3 進(jìn)一步原因分析

對(duì)3列7號(hào)風(fēng)機(jī)葉片解體檢查發(fā)現(xiàn)，葉片5(002314)表面完好，無葉片失效時(shí)與其他葉片撞擊的痕跡，葉片內(nèi)部支撐梁有不規(guī)則裂紋(沿葉片軸線方向長(zhǎng)約3 m)。根據(jù)2007年11月現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，可認(rèn)為這種裂紋是由安裝過程中的異常操作引起的，這種加強(qiáng)肋上的裂紋會(huì)大大降低葉片的整體強(qiáng)度。有鑒于此，對(duì)#2機(jī)組的葉片進(jìn)行詳細(xì)排查。解體檢查結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖4 葉肩劇烈撞擊裂紋

圖5 葉片背風(fēng)面劇烈撞擊裂紋

圖6 葉片背風(fēng)面撞擊破損

圖7 葉片軸徑定位臺(tái)磕碰

圖8 葉片表面撞擊鋪層破裂

圖9 U形螺栓被換為普通螺栓(左)

圖10 葉片橫向鋸開

圖11 葉片鋸開后內(nèi)部支撐梁裂紋

4 現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果及驗(yàn)證

4.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果

2008年10月，利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)#2機(jī)組進(jìn)行外觀檢查，并對(duì)全部風(fēng)機(jī)進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查。

(1)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)部分葉片受損嚴(yán)重，由于2007年11月檢查后對(duì)所有外觀進(jìn)行了修復(fù)，因此這些損傷是在葉片修復(fù)之后出現(xiàn)的，也就是說葉片修復(fù)至今，有異常情況發(fā)生而導(dǎo)致了葉片損壞。后期損傷葉片如圖12、圖13所示。

圖12 后期損傷的葉片

圖13 后期損傷的葉片

(2)少數(shù)葉片外觀良好，但內(nèi)部膠粘劑裂紋嚴(yán)重，部分葉片內(nèi)部支撐梁有裂紋，為了進(jìn)一步驗(yàn)證裂紋情況，將膠粘劑裂紋嚴(yán)重的葉片解體檢查。膠粘劑嚴(yán)重裂紋葉片003843(#2機(jī)組1列7號(hào))解體后如圖14、圖15所示。

圖14 膠粘劑裂紋

圖15 膠粘劑裂紋延伸到內(nèi)部(右下角裂紋)

(3)其他外觀良好內(nèi)部受損葉片如圖16、圖17所示。

圖16 內(nèi)部支撐梁裂紋

經(jīng)過對(duì)#2機(jī)組28臺(tái)風(fēng)機(jī)的內(nèi)窺鏡檢查，初步結(jié)果如下：葉片有膠粘劑裂紋，12 處；加強(qiáng)肋有裂紋，6處。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果驗(yàn)證

(1)圖18給出了葉片003843現(xiàn)場(chǎng)照片和模擬試驗(yàn)照片對(duì)比情況。為進(jìn)一步確認(rèn)葉片003843內(nèi)部裂紋產(chǎn)生原因，采用模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。將一個(gè)備品葉片鋸開后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)前完好，將其從5 m高度落到地面，發(fā)現(xiàn)軸徑上出現(xiàn)類似裂紋。試驗(yàn)所用軸徑部分質(zhì)量約7 kg，完整30ELF質(zhì)量約130 kg。

圖18 葉片003843現(xiàn)場(chǎng)照片和模擬試驗(yàn)照片對(duì)比

(2)將斷裂的葉片002357軸徑切開后與有裂紋的葉片003843軸徑放在同一位置比較，發(fā)現(xiàn)葉片002357軸徑斷裂位置與葉片003843軸徑裂紋位置幾乎相同。002357軸徑與葉片003843軸徑裂紋位置對(duì)比如圖19所示。

圖19 002357軸徑與003843軸徑裂紋位置對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，#2機(jī)組葉片由于異常操作，對(duì)葉片內(nèi)外部結(jié)構(gòu)造成損傷，部分內(nèi)部損傷在使用過程中逐漸惡化導(dǎo)致葉片最終失效。

現(xiàn)有無損檢測(cè)方法并不能將這種內(nèi)部損傷百分之百檢測(cè)出來,只有嚴(yán)格執(zhí)行安裝前技術(shù)交底、安裝中質(zhì)量檢查、安裝后定期維護(hù)，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

葉片修復(fù)要求環(huán)境溫度在10 ℃以上，2009年5月對(duì)#2機(jī)組葉片集中處理后，至今葉片運(yùn)行良好，再?zèng)]有發(fā)生斷裂事故。