汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪裂紋及葉片損壞處理

童萬均，劉全，何盛國

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪裂紋及葉片損壞處理

童萬均，劉全，何盛國

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

汽輪機(jī)組在檢修期間檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉輪葉根槽位置存在裂紋，且部分級次葉片損壞嚴(yán)重。通過安全性等校核，以及進(jìn)行熱力、凝汽器等核算，提出了可行的處理方案，以最短的時間恢復(fù)了機(jī)組運(yùn)行。

轉(zhuǎn)子，葉輪裂紋，葉片損壞，核算，處理方案

Abstract：When the turbine unit was under repair,the cracks were found in the root groove of rotor impeller blade,and the blades of some stage were badly damaged.Through security check,and the calculation of heat and condenser,a feasible treatment scheme was put forward and the operation of the unit was resumed in the shortest time.

Key words：rotor,impeller crack,blade damage,verification,processing methods

1 概述

某電廠汽輪機(jī)為進(jìn)口的帶工業(yè)抽汽及采暖供熱的雙抽機(jī)組，機(jī)組于1999年10月正式投運(yùn)，型號為ЛT-140/165-130/15-2。機(jī)組型式：超高壓、一段非調(diào)整和一段生產(chǎn)、二段采暖調(diào)整抽汽、雙缸單軸、單排汽固定凝汽式汽輪機(jī)。

主要設(shè)計參數(shù)如下：

功率：額定142 MW，最大167 MW，凝汽120 MW；

通流級數(shù)：25級，其中高壓缸13級，低壓缸12級；

末級動葉長度：830 mm；

新蒸汽參數(shù)：主汽門前12.7 MPa/555℃；

新蒸汽流量額定：788 t/h、最大810 t/h、凝汽446 t/h；

背壓： 7.36 kPa（絕壓）-對應(yīng)真空-77 kPa（冷卻水溫20℃）；

凝汽器通水量額定：12 400 t/h，最大13 500 t/h（水溫 20℃）；

低壓缸允許排汽量最大：330 t/h，最小20 t/h；

抽汽壓力：工業(yè)抽汽1.08～1.96 MPa，采暖上段 0.036～0.16 MPa， 采暖下段 0.056～0.034 MPa；

抽汽流量：生產(chǎn)抽汽額定335 t/h，最大500 t/h；采暖抽汽流量（上、下段總和）額定220 t/h，最大270 t/h；

調(diào)節(jié)方式：電調(diào)。

電廠計劃安排小修機(jī)會對轉(zhuǎn)子及其附件進(jìn)行了相關(guān)隱患排查工作。排查結(jié)果發(fā)現(xiàn)低壓第21級葉輪葉根型線部位存在裂紋，且第24級、25級部分葉片損壞，對機(jī)組運(yùn)行存在嚴(yán)重安全隱患。轉(zhuǎn)子需返到汽輪機(jī)制造廠進(jìn)行處理，同時需盡快處理完畢恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行，以滿足熱用戶需求。因此，處理方案需首先滿足機(jī)組運(yùn)行的安全性、帶熱負(fù)荷能力及工期要求。

2 轉(zhuǎn)子及缺陷情況簡介

2.1 轉(zhuǎn)子情況簡介

存在缺陷的轉(zhuǎn)子為中低壓轉(zhuǎn)子，共12級，編號為14～25級。14～19級葉輪是與大軸整體鍛造而成的，20～25級葉輪為套裝葉輪；第14～22級葉片為T形葉根，葉輪輪緣為反T形槽結(jié)構(gòu)；第23、24級為叉形葉根，第25級為樅樹形葉根，轉(zhuǎn)子剖面示意圖見圖1。低壓21～25級的葉片參數(shù)見表1。葉片 （14～20級）帶有鑲嵌的輪緣，葉片（21、22級）帶有減震連接，24～25級葉片進(jìn)口邊緣有司太立硬質(zhì)合金保護(hù)層。

表1 低壓21～25級葉片參數(shù)特性

圖1 低中壓轉(zhuǎn)子平面圖

2.2 轉(zhuǎn)子缺陷情況簡介

低壓轉(zhuǎn)子主要缺陷：低壓第21級葉輪槽存在裂紋；低壓第24、25級（次末級、末級）動葉片碰傷。

2．2．1 第21級葉輪槽缺陷情況

第21級葉片共計110片，對葉輪輪緣反T形槽進(jìn)行了常規(guī)超聲波和相控陣超聲波探傷檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)、出汽側(cè)反T形槽內(nèi)壁外部端角整圈存在裂紋缺陷反射信號 （第21級葉輪輪緣反T形槽示意圖及缺陷位置如圖2所示），其中裂紋自身高度最大處位于葉片編號6～13位置（第21級葉片自編號如圖3所示），裂紋自身高度約16 mm。

圖2 第21級葉輪輪緣反T形槽及缺陷位置示意圖

圖3 第21級葉片自編號示意圖

2．2．2 第24、25級動葉片損傷情況

第24級動葉片原設(shè)計方式為叉形葉根、葉身汽道穿2圈松拉筋結(jié)構(gòu)，葉片上部進(jìn)汽邊焊有司太立硬質(zhì)合金防水蝕保護(hù)層。該級葉片損壞相連的9只，所有損壞葉片損壞長度達(dá)到100～180 mm不等，宏觀檢查多個葉片損壞折彎處出現(xiàn)裂紋，入口邊鑲嵌的司太立合金片損壞。

第25級動葉片原設(shè)計方式為圓弧樅樹形葉根、葉身汽道穿2圈松拉筋結(jié)構(gòu)，葉片上部進(jìn)汽邊焊有司太立硬質(zhì)合金防水蝕保護(hù)層。該級動葉片共損壞相連的17只，損壞葉片長度從葉頂起250～270 mm不等，已達(dá)到整個葉身的1/3；宏觀檢查多個葉片損壞折彎處出現(xiàn)裂紋，葉片拉筋變形嚴(yán)重，入口邊鑲嵌的司太立合金片脫落。

3 轉(zhuǎn)子缺陷原因分析

從缺陷位置及缺陷情況分析，第21級葉輪T形槽裂紋主要原因如下：

（1）機(jī)組運(yùn)行時葉片產(chǎn)生的離心力過大；

（2）葉輪T形槽尖角位置未倒角處理，產(chǎn)生集中應(yīng)力；

（3）機(jī)組長期運(yùn)行后產(chǎn)生應(yīng)力疲勞。

第24級、25級部分葉片損壞的原因為意外碰傷。

4 轉(zhuǎn)子缺陷處理方案

處理方案需首先滿足機(jī)組運(yùn)行的安全性、帶熱負(fù)荷能力及工期要求。由于機(jī)組為國外機(jī)組，國內(nèi)無相應(yīng)的設(shè)計資料、數(shù)據(jù)及葉片、葉輪等毛坯儲備，所以處理方案比較特殊。

4.1 第21級葉輪槽缺陷處理方案

第21級為套裝葉輪，位于轉(zhuǎn)子中部。根據(jù)葉輪槽缺陷位置及材料情況，無法進(jìn)行修復(fù)以滿足強(qiáng)度要求；且由于是國外機(jī)組，國內(nèi)無相應(yīng)的原始資料和毛坯儲備；在檢修工期比較短的情況下，結(jié)合機(jī)組供熱量大的運(yùn)行特點，暫時只能采用去級運(yùn)行方案，但需對相應(yīng)級次強(qiáng)度等進(jìn)行校核。

第21級整級葉片拆除后，在裂紋區(qū)以下一定高度整級對葉輪槽缺陷部位車削加工去除，運(yùn)行時保留該級隔板。

為方便以后將該機(jī)組恢復(fù)至正常狀態(tài)，將拆卸的葉片選2只完整未損傷的進(jìn)行掃描測繪。

4.2 第24級（次末級）動葉片損壞處理方案

對于該級葉片最好的處理方式是采用新葉片將損壞葉片進(jìn)行更換，但其是國外產(chǎn)出的機(jī)組，國內(nèi)沒有葉片數(shù)據(jù)和成品葉片，無法進(jìn)行更換，故采取折中方案：將損傷葉片及其對稱位置的葉片割除一定長度汽道的方式處理。 割除汽道前，拆卸一弧段的未損壞動葉片，挑選2只完整的未損傷葉片進(jìn)行三維掃描測繪；根據(jù)測繪數(shù)據(jù)重塑該動葉模型，并進(jìn)行振動特性核算（核算結(jié)果見表2），根據(jù)核算結(jié)果確定需割除的長度為190 mm，并且此時的葉片動頻滿足設(shè)計規(guī)范中對避開率的要求。最后將拆卸的動葉片復(fù)裝，最終根據(jù)損壞情況及核算數(shù)據(jù)共處理18只葉片。

表2 第24級單只葉片動頻核算結(jié)果單位：Hz

4.3 第25級 （末級）動葉損壞處理方案

對于該級葉片最好的處理方式是采用新葉片將損壞葉片進(jìn)行更換，但其是國外產(chǎn)出的機(jī)組，國內(nèi)沒有葉片數(shù)據(jù)和成品葉片，無法進(jìn)行更換；并且損壞葉片數(shù)量較多，故采取折中方案。采取沿葉根平臺以上割除整級末級動葉的方式處理，運(yùn)行時保留該級隔板。采取這種處理方式有以下兩方面考慮：

（1）電廠基本常年處于抽汽工況運(yùn)行，末級動葉片 （未損壞的情況下）在機(jī)組運(yùn)行中做功很小。如果部分切除動葉，末級在運(yùn)行中會發(fā)生鼓風(fēng)效應(yīng)。

（2）部分切除動葉，其割除數(shù)量也巨大，在機(jī)組運(yùn)行中，還會帶來不可預(yù)期的振動問題。

同時，為方便以后將該機(jī)組恢復(fù)至正常狀態(tài)，在割除末級動葉前，拆卸2只完整的未損傷葉片進(jìn)行掃描測繪，數(shù)據(jù)存檔，在合適的時候重新加工該葉片。測繪后的葉片需要去掉葉身將葉根復(fù)裝到葉輪上，消除機(jī)組運(yùn)行時的輪槽鼓風(fēng)。

5 處理方案核算

由于電廠工期緊張，同時是國外產(chǎn)出機(jī)組，短期內(nèi)無法徹底修復(fù)該轉(zhuǎn)子的損傷情況，此次臨時處理后機(jī)組采取缺級（第21級動葉、末級動葉）運(yùn)行狀態(tài)，故需進(jìn)行復(fù)核。

5.1 熱力核算

原機(jī)組為帶工業(yè)抽汽及采暖供熱的雙抽機(jī)組，低壓第21級、第23級為旋轉(zhuǎn)隔板級（7～8抽），級前分別為采暖上段抽汽位置和采暖下段抽汽位置。

機(jī)組原長期運(yùn)行工況數(shù)據(jù)見表3。

表3 機(jī)組原長期運(yùn)行工況數(shù)據(jù)

機(jī)組正常運(yùn)行時采暖上、下段總共抽汽約60～70 t/h，高排 （四抽）約有223 t/h的抽汽量，五抽有廠用抽汽 （抽汽量未換算）。經(jīng)核算，10#機(jī)組中低壓轉(zhuǎn)子缺陷處理后，可以在這種運(yùn)行條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 凝汽器核算

電廠提供機(jī)組凝汽器相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 機(jī)組凝汽器相關(guān)數(shù)據(jù)

根據(jù)凝汽器數(shù)據(jù)，在不考慮堵管情況下保守核算，核算結(jié)果如表5所示。

表5 凝汽器核算結(jié)果

5.3 核算結(jié)論及運(yùn)行建議

根據(jù)上述復(fù)核結(jié)果，機(jī)組中低壓轉(zhuǎn)子缺陷處理，運(yùn)行時的結(jié)論及建議如下：

（a）中低壓轉(zhuǎn)子缺陷處理后在原長期運(yùn)行工況（其運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3）可以運(yùn)行。

（b）機(jī)組轉(zhuǎn)子缺陷處理完投運(yùn)后在其他參數(shù)工況運(yùn)行時，需注意監(jiān)視采暖上、下段抽汽壓力和排入凝汽器流量，不允許在大進(jìn)汽量、小抽汽量（采暖上段之前的其余各段抽汽）工況下運(yùn)行。

（c）注意監(jiān)視末級排汽溫度，超過原機(jī)組給定的溫度限制時，需要啟用噴水減溫裝置對其進(jìn)行降溫。

（d）根據(jù)機(jī)組的凝汽器相關(guān)數(shù)據(jù)及校核結(jié)果，可以采用單臺泵運(yùn)行，適當(dāng)提升背壓，減小末級隔板壓差。

（e）總體上，從安全性角度出發(fā)，該轉(zhuǎn)子不宜長期運(yùn)行，建議進(jìn)行升級改造或恢復(fù)。

6 轉(zhuǎn)子缺陷處理主要工作

轉(zhuǎn)子缺陷處理主要工作見表6。

表6 轉(zhuǎn)子缺陷處理主要工作

7 結(jié)論

（1）經(jīng)過為期10天的緊急處理，機(jī)組中低壓轉(zhuǎn)子缺陷順利處理完畢，轉(zhuǎn)子高速不平衡量到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）在計劃的工期內(nèi)完成了中低壓轉(zhuǎn)子安全隱患的排查和處理，消除了機(jī)組安全運(yùn)行的隱患。

（3）中低壓轉(zhuǎn)子缺陷處理后啟機(jī)順利，各項運(yùn)行監(jiān)控指標(biāo)正常，保證了機(jī)組的熱負(fù)荷輸出。

（4）根據(jù)機(jī)組運(yùn)行后情況表明，處理方案是成功的，對同類型事故處理具有一定的參考意義。

[1]中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊:第二卷 汽輪機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2]吳厚鈺.透平零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

Processing Methods of Impeller Crack and Blade Damage

Tong Wanjun， Liu Quan， He Shengguo
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK268

A

1674-9987（2017）03-0067-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.015

童萬均 （1982-），男，工程師，現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)的技術(shù)改造、修復(fù)及維護(hù)工作。