小型抽凝式供熱汽輪機(jī)葉片斷裂分析

陳 昊 胡建明 智建平

（1.江蘇國(guó)信儀征熱電有限責(zé)任公司 江蘇儀征 2.江蘇國(guó)信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司 江蘇揚(yáng)州）

一、前言

公司2#汽輪機(jī)是由南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為C25-8.83/0.981-Ⅰ，工作轉(zhuǎn)速為3000 r/min，2005年12月投產(chǎn)。該機(jī)組為高壓、單缸、單抽、沖動(dòng)、凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由1級(jí)調(diào)速級(jí)和19級(jí)壓力級(jí)組成。回?zé)岢槠到y(tǒng)共6級(jí)，分別位于4、8、10、12、14、16壓力級(jí)葉輪之后，其中位于第10級(jí)壓力級(jí)后的抽汽為調(diào)整抽汽，用于對(duì)外供熱，按壓力高低依次供給2#高壓加熱器、l#高壓加熱器、高壓除氧器、3#低壓加熱器、2#低壓加熱器、l#低壓加熱器。

軸封系統(tǒng)：機(jī)組的前、后軸封采用梳齒式汽封結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上的軸封高低槽齒與軸封的長(zhǎng)短齒相配，形成了迷宮式汽封。前軸封共6組分為5擋漏汽，后軸封共3組分為2擋漏汽，前軸封第1擋漏汽至2級(jí)抽汽；前軸封第2擋漏汽至4級(jí)抽汽；前軸封第3擋漏汽至6級(jí)抽汽；前軸封第4擋漏汽會(huì)同后軸封第1擋接入軸封汽均壓箱；前軸封第5擋會(huì)同后軸封第2擋及主汽門、調(diào)速汽門門桿第2擋漏汽接入軸封加熱器。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別用2道軸承支撐,其間用剛性聯(lián)軸器連接。機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 汽輪機(jī)軸系

二、汽輪機(jī)葉片斷裂情況

2013年7月3日、14日、8月 22日1#、2#、3#瓦 振動(dòng)明顯異常升高（表1），判斷為汽輪機(jī)斷葉片，對(duì)汽輪機(jī)揭缸檢查發(fā)現(xiàn)，第16壓力級(jí)斷葉片2根，第17壓力級(jí)斷葉片1根。如圖2所示。

表1 揭缸前汽輪機(jī)振動(dòng)異常上升情況

圖2 斷裂葉片

三、汽輪機(jī)葉片斷口分析

（1）對(duì)損壞葉片進(jìn)行光譜分析發(fā)現(xiàn)，葉片材料為1Cr13不銹鋼，與汽輪機(jī)廠圖紙一致。

（2）從損壞葉片上刮取垢樣進(jìn)行化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果表明，垢物主要是由SiO2類的微晶體組成，不存在Na0H和NaC1產(chǎn)物，這說明汽水品質(zhì)合格，不存在腐蝕斷裂的可能性。

（3）對(duì)斷裂葉片的斷口進(jìn)行了宏觀觀察。宏觀斷口表明：斷口具有明顯的疲勞特征，葉片出汽邊為疲勞源區(qū)（平斷面），進(jìn)汽邊為快速斷裂區(qū)（粗糙斷面），中間部分為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。平斷口是疲勞性質(zhì)的斷裂,斷口可以見到與裂紋擴(kuò)展方向相垂直的貝殼線。斷裂源都起源于較薄的出氣邊,這是由于該區(qū)域強(qiáng)度相對(duì)較弱,且是氣流出口端,氣流速度較快。

粗糙斷口是由于裂紋擴(kuò)展后,葉片強(qiáng)度降低,所承受的應(yīng)力增加,最后斷裂造成的。第16壓力級(jí)葉片快速斷裂區(qū)較小，約占葉片截面積的10%。說明第16壓力級(jí)斷葉片應(yīng)是長(zhǎng)期高周低應(yīng)力疲勞。第17壓力級(jí)斷葉片快速斷裂區(qū)較大，約占30%。說明第17壓力級(jí)斷葉片也是疲勞斷裂，但因葉片較長(zhǎng)，作用力較大，快速斷裂區(qū)較大。

根據(jù)以上分析，汽輪機(jī)葉片的斷裂屬高周低應(yīng)力疲勞斷裂。葉片的出氣邊較薄，長(zhǎng)期在蒸汽的動(dòng)應(yīng)力作用下，產(chǎn)生疲勞微裂紋。該裂紋開始擴(kuò)展的速度較慢，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度超過一定值后，擴(kuò)展速度加快,最后導(dǎo)致葉片斷裂。

四、事故原因分析結(jié)論

葉片材料化學(xué)成分合格。葉片的斷裂不是腐蝕所致，是由疲勞引起的。因此，分析疲勞產(chǎn)生的原因。

（1）抽凝式供熱汽輪機(jī)末級(jí)濕汽區(qū)較常規(guī)凝汽式汽輪機(jī)大，該公司循環(huán)水系統(tǒng)采用自然通風(fēng)冷卻塔方式冷卻，系統(tǒng)真空受環(huán)境溫度影響大，冬季供熱高峰時(shí)，真空值可達(dá)-100 kPa，已達(dá)機(jī)組極限真空值，蒸汽在末幾級(jí)葉片中已達(dá)極限膨脹值，此時(shí)蒸汽流速高，末幾級(jí)葉片離心拉應(yīng)力成平方數(shù)增加。另一方面真空過高，導(dǎo)致機(jī)組濕蒸汽區(qū)增大，濕蒸汽在葉片表面形成凝結(jié)放熱現(xiàn)象，換熱系數(shù)成15～20倍增加，此時(shí)末幾級(jí)葉片內(nèi)部產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。

（2）該公司供熱負(fù)荷特點(diǎn)是負(fù)荷波動(dòng)較大。汽輪機(jī)葉片斷裂發(fā)生在第16、17壓力級(jí)，而第16、17壓力級(jí)之間對(duì)應(yīng)6級(jí)抽汽，在汽輪機(jī)供熱負(fù)荷的波動(dòng)時(shí)抽汽量也隨之變化，因此第16、17壓力級(jí)因抽汽量變化引起的的熱應(yīng)力較大。

（3）查運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)第6段回?zé)岢槠麥囟雀撸?抽壓力由于供熱抽汽已處于負(fù)壓區(qū)，正常溫度應(yīng)為80℃左右，實(shí)際運(yùn)行最高達(dá)到210～240℃。分析原因，汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)，軸封第3擋漏汽接入6抽管道，軸封第3擋漏汽壓力、溫度均高于6抽，當(dāng)機(jī)組供熱負(fù)荷較高時(shí)，機(jī)組前軸封第3擋高溫漏汽部分回流至汽缸內(nèi)部。當(dāng)機(jī)組供熱負(fù)荷下降時(shí)，機(jī)組前軸封第3擋高溫漏汽正常回到1#低壓加熱器，導(dǎo)致處于6抽抽汽口的第16壓力級(jí)和第17壓力級(jí)葉片承受的熱交變應(yīng)力進(jìn)一步加大。

表2 第3擋漏汽管道調(diào)整門前后參數(shù)對(duì)比

五、防治措施

根據(jù)上述事故原因分析，供熱負(fù)荷波動(dòng)大是客觀因素，主要是由于設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致軸封第3擋漏汽回流進(jìn)入汽缸，導(dǎo)致汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片承受較大的熱交變應(yīng)力。為此，2013年10月2#汽輪機(jī)機(jī)停運(yùn)期間，在機(jī)組前軸封第3擋漏汽管道加裝1個(gè)J41Y-16I/DN100閥門，通過調(diào)整閥門開度達(dá)到控制機(jī)組前軸封第3擋漏汽進(jìn)入第6段回?zé)岢槠軆?nèi)的流量，從而達(dá)到控制第6段回?zé)岢槠麥囟冉咏O(shè)計(jì)溫度范圍的目的。

通過調(diào)整機(jī)組前軸封第3擋漏汽管道調(diào)整門開度，機(jī)組第6段回?zé)岢槠麥囟让黠@下降（表2），機(jī)組運(yùn)行1.5年以來正常，控制效果明顯。

六、結(jié)論

小型抽凝式供熱機(jī)組由于抽汽供熱，末級(jí)濕汽區(qū)較常規(guī)凝汽式汽輪機(jī)大；同時(shí)因?yàn)楣嶝?fù)荷波動(dòng)較大，末幾級(jí)葉片承受了較大的熱交變應(yīng)力；再加上軸封漏汽不正常的回流入汽缸導(dǎo)致熱交變應(yīng)力更大，在此情況下長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致了葉片斷裂。江蘇國(guó)信儀征熱電有限責(zé)任公司根據(jù)此情況，針對(duì)性的在機(jī)組前軸封第3檔漏汽管道加裝1個(gè)調(diào)整門，通過調(diào)整該門的開度控制軸封漏汽不正常的回流對(duì)汽輪機(jī)葉片的交變應(yīng)力的影響，取得較好效果。為避免汽輪機(jī)同類事故的發(fā)生，建議采取措施。控制好蒸汽飽和度，減少由于膨脹做功后產(chǎn)生過多的細(xì)小水顆粒對(duì)葉片進(jìn)行沖擊。定期對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行開缸檢查，特別要加強(qiáng)對(duì)葉片的檢查。對(duì)葉片進(jìn)行探傷和測(cè)頻，以便及早發(fā)現(xiàn)問題。