某電廠一次風(fēng)機(jī)葉片損壞原因分析

李 建

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長春 130102)

一次風(fēng)機(jī)是電廠重要的輔助設(shè)備，一次風(fēng)機(jī)提供的一次風(fēng)需要保持合適的風(fēng)量、風(fēng)速和風(fēng)溫，確保進(jìn)入爐膛煤粉的煤粉細(xì)度和水分，保證煤粉在爐膛能夠及時(shí)燃燒，燃燒太早會(huì)燒壞噴嘴,而太晚會(huì)導(dǎo)致燒熱不夠充分減低鍋爐效率[1]。一次風(fēng)機(jī)發(fā)生故障會(huì)大大影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性,而一次風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中最常見的問題是葉片損壞，葉片損壞會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失速，嚴(yán)重情況葉片直接斷裂，斷裂葉片沖擊其他葉片，不得不停機(jī)維修，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。

本文針對(duì)某電廠一次風(fēng)機(jī)葉片損壞問題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，找出損壞原因，對(duì)分析和防范一次風(fēng)機(jī)發(fā)生葉片損壞問題可供參考。

1 設(shè)備概況

某電廠1號(hào)機(jī)組一次風(fēng)機(jī)采用上海鼓風(fēng)機(jī)廠有限公司的雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，具體參數(shù)如表1。

2 一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行存在問題

某電廠1號(hào)機(jī)組臨時(shí)停機(jī)期間對(duì)鍋爐A一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)兩級(jí)葉片出現(xiàn)不同程度的損壞，圖1為葉片損壞示意圖。

表1 一次風(fēng)機(jī)技術(shù)規(guī)范

從圖1中可見，A一次風(fēng)機(jī)第一、二級(jí)整圈共48個(gè)葉片均存在不同程度破損情況，宏觀分析絕大多數(shù)為異物撞擊產(chǎn)生的溝槽和豁口，存在于葉片的上、中、下部。風(fēng)機(jī)風(fēng)道中發(fā)現(xiàn)部分葉片碎片，未發(fā)現(xiàn)其他異物，圖2為風(fēng)機(jī)葉片碎片。

對(duì)風(fēng)機(jī)入口的隔離網(wǎng)進(jìn)行了檢查，隔離網(wǎng)完好無損，排除從風(fēng)機(jī)入口進(jìn)入異物對(duì)風(fēng)機(jī)葉片形成打擊損壞原因[4]。

通過對(duì)風(fēng)機(jī)葉片損壞情況檢查發(fā)現(xiàn)，在第二級(jí)葉片中有2個(gè)斷裂葉片，分別為5號(hào)和8號(hào)葉片。對(duì)其斷口進(jìn)行分析，8號(hào)葉片為一次斷口，且其葉身變形較大。5號(hào)葉片斷口存在一次斷裂區(qū)和二次斷裂區(qū)，葉身無明顯變形，無異物打擊痕跡。圖3為葉片斷裂圖像，圖4為二級(jí)葉片斷面。

3 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

3.1 宏觀檢測(cè)

針對(duì)斷裂的二級(jí)第5號(hào)葉片，對(duì)斷裂部位首先進(jìn)行了宏觀檢測(cè)，宏觀檢測(cè)可觀察到該葉片無明顯減薄、磨損、塑性變形等問題(邊緣存在撕裂及磕碰傷)，斷口形貌為脆性斷裂，存在明顯原始開裂區(qū)及瞬斷區(qū)，原始開裂區(qū)較平整，呈疲勞開裂特征。圖5為斷口宏觀檢查圖像。

3.2 光譜檢測(cè)

對(duì)斷裂葉片使用奧林巴斯合金分析儀(VANTA)進(jìn)行材質(zhì)分析，葉片為鋁合金材質(zhì)，參照GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》和GBT 32249—2015《鋁及鋁合金模鍛件、自由鍛件和軋制環(huán)形鍛件通用技術(shù)條件》，本葉片材質(zhì)屬于AlSi系鋁合金，表2為光譜檢測(cè)結(jié)果。

表2 光譜檢測(cè)結(jié)果

3.3 硬度檢測(cè)

對(duì)斷裂葉片使用顯微硬度計(jì)(THV-1維氏)硬度分析，硬度結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)GBT 32249—2015要求，表3為硬度檢測(cè)結(jié)果。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果

3.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)斷口位置切割取樣，使用蔡司顯微鏡(Axio Observer A1m)進(jìn)行微觀組織分析，晶界位置存在點(diǎn)狀和鏈狀氣孔等原始鑄態(tài)形貌，金相組織無異常，圖6為斷口微觀分析圖像。

3.5 滲透檢測(cè)

對(duì)斷口邊緣50 mm寬度區(qū)域進(jìn)行滲透檢測(cè)，滲透時(shí)間10 min，顯像時(shí)間10 min，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀顯示，與金相檢驗(yàn)結(jié)果吻合，未發(fā)現(xiàn)裂紋顯示，滲透分析如圖7所示。

4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況分析

4.1 風(fēng)機(jī)失速情況

機(jī)組負(fù)荷313 MW且在升負(fù)荷過程中，CDFG制粉系統(tǒng)運(yùn)行，機(jī)組協(xié)調(diào)投入，升負(fù)荷速率為3 MW/min，A一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度50%，電流227.47 A，B一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度42%，電流239.69 A，兩側(cè)風(fēng)機(jī)出口壓力均為13.6 kPa，空預(yù)器出口一次風(fēng)母管壓力11.3 kPa。由于在A、B 2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)出口，空預(yù)器入口前設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，因此2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)在動(dòng)葉開度和電流有較大偏差的情況下，風(fēng)機(jī)出口壓力偏差不大。

隨后A一次風(fēng)機(jī)電流由227.54 A降至182.54 A，隨后降至131.11 A，電流降低96.43 A，同時(shí)B一次風(fēng)機(jī)電流快速升高，空預(yù)器出口一次風(fēng)母管壓力由11.3 kPa降至7.5 kPa，判斷A一次風(fēng)機(jī)失速，同時(shí)發(fā)現(xiàn)A一次風(fēng)機(jī)風(fēng)箱有異音，且響聲特別大。

4.2 風(fēng)機(jī)失速原因

A一次風(fēng)機(jī)失速前運(yùn)行參數(shù)如表4所示。電負(fù)荷314 MW，A一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度50%，運(yùn)行電流227 A，風(fēng)機(jī)出口壓力13.59 kPa，B一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度42%，運(yùn)行電流239.27 A，風(fēng)機(jī)出口壓力13.62 kPa。

圖8為A一次風(fēng)機(jī)特性曲線圖，分析可知風(fēng)機(jī)失速前一次風(fēng)機(jī)出口平均壓力P=13 600 Pa，風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓按-500 Pa計(jì)算，空氣壓縮系數(shù)μ=0.95，空氣密度ρ=1.185 kg/m3，故風(fēng)機(jī)比壓能Y=P*μ/ρ=11 303 Nm/kg，單臺(tái)一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量約102 m3/s，通過查看一次風(fēng)機(jī)特性曲線，一次風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)接近風(fēng)機(jī)失速區(qū)，且運(yùn)行中A一次風(fēng)機(jī)電流比B一次風(fēng)機(jī)電流低13 A，說明A一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量低于B一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量，因此A一次風(fēng)機(jī)在升負(fù)荷過程中發(fā)生了失速[5-6]。

表4 風(fēng)機(jī)失速時(shí)鍋爐運(yùn)行參數(shù)

觀察一次風(fēng)機(jī)原性能曲線，A一次風(fēng)機(jī)失速時(shí)，電負(fù)荷314 MW，約50%THA工況，該運(yùn)行工況的比壓能高于設(shè)計(jì)的BMCR工況比壓能，說明該工況下一次風(fēng)系統(tǒng)的阻力大于設(shè)計(jì)的BMCR工況系統(tǒng)阻力，使得工作點(diǎn)向左上角偏移，增加了風(fēng)機(jī)失速的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

對(duì)空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)進(jìn)、出口壓差分析發(fā)現(xiàn)，滿負(fù)荷工況下，設(shè)計(jì)的空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)阻力為0.83 kPa，而A一次風(fēng)機(jī)失速前，接近50%THA工況下，空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)阻力達(dá)到2.32 kPa，阻力偏高，空預(yù)器堵塞。

此外，風(fēng)機(jī)失速當(dāng)天的煤質(zhì)較差，燃煤量達(dá)到260 t/h，而設(shè)計(jì)煤質(zhì)在50%THA工況下，燃煤量為230 t/h，煤量大則一次風(fēng)量偏高，運(yùn)行同等數(shù)量的磨煤機(jī)情況下，單臺(tái)磨煤機(jī)的煤量偏多，通風(fēng)阻力偏高，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力升高。

綜上所述分析，此次A一次風(fēng)機(jī)發(fā)生失速主要是由于空預(yù)器堵塞，同時(shí)煤質(zhì)差，煤量大，一次風(fēng)量偏高，導(dǎo)致一次風(fēng)系統(tǒng)阻力升高較多，風(fēng)機(jī)比壓能升高，運(yùn)行工作點(diǎn)接近失速區(qū)，在升負(fù)荷過程中引發(fā)了失速[8]。

4.3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況

圖9為A一次風(fēng)機(jī)軸承水平振動(dòng)歷史曲線圖，調(diào)閱一次風(fēng)機(jī)前后軸承水平振動(dòng)sis曲線，一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，葉片材料為鋁質(zhì)材料，密度較小，從現(xiàn)場(chǎng)葉片斷裂情況看，斷裂部分位于葉片頂端，掉落質(zhì)量較小，不足以引起振動(dòng)的突變，導(dǎo)致在sis曲線上沒有發(fā)現(xiàn)振動(dòng)異常現(xiàn)象。

5 葉片損壞原因分析

5.1 二級(jí)葉片斷裂原因分析

檢查葉片時(shí)發(fā)現(xiàn)二級(jí)葉片中存在2個(gè)斷裂的葉片，其中第8號(hào)葉片斷口為一次斷口，且其葉身變形較大，證明8號(hào)葉片上部斷裂是由于本次打擊造成破損；第5號(hào)葉片斷口存在一次斷裂區(qū)和二次斷裂區(qū)，葉身無明顯變形，無異物打擊痕跡，推斷其存在表面裂紋，最后在外力作用下，發(fā)生斷裂。

圖10為葉片正常工況與失速工況示意圖。

通過對(duì)該葉片斷裂面的宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，斷口存在明顯原始開裂區(qū)及瞬斷區(qū)，原始開裂區(qū)呈現(xiàn)出明顯的疲勞開裂特征。葉片疲勞開裂是由于風(fēng)機(jī)葉片在加工及安裝過程中，由于各種原因，葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角，隨著負(fù)荷的升高，風(fēng)機(jī)動(dòng)葉角度逐漸增大時(shí)，各葉片的進(jìn)口處沖角增大，葉片所受升力升高，此時(shí)風(fēng)機(jī)壓頭升高，風(fēng)量增加，但如果某一葉片進(jìn)口處的沖角達(dá)到臨界值時(shí)，葉背的邊界層受到破壞，在葉背的尾端出現(xiàn)渦流區(qū)如圖10所示，即開始產(chǎn)生“失速”現(xiàn)象，但此時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)出力的影響可能仍未顯現(xiàn)，但會(huì)造成該葉片流道的堵塞，并使葉片前后的壓力發(fā)生變化，葉片每經(jīng)過一次該渦流區(qū)就會(huì)受到一次激振力的作用，從而可使葉片受到交變力的作用，致使葉片發(fā)生疲勞損壞[9]。

5.2 其余葉片損壞原因分析

通過對(duì)其余葉片損壞的部位和形狀分析，判斷是被異物打擊造成的損壞，結(jié)合二級(jí)第5號(hào)葉片發(fā)生斷裂，推斷是由于二級(jí)第5號(hào)葉片斷裂部分甩入一級(jí)和二級(jí)葉片之間，在風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，對(duì)其余葉片形成了擊打損壞。下面針對(duì)二級(jí)斷裂葉片甩入一級(jí)和二級(jí)葉片之間并對(duì)其余葉片造成損壞進(jìn)行分析。

圖11為葉片橫截面受力分析示意圖，以某個(gè)二級(jí)葉片的橫截面進(jìn)行受力分析，當(dāng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流沿圖中所示流向流入葉片,分成上下兩股氣流貼著翼面流過,葉片背部氣流速度大，壓力小，而葉片腹部氣流速度小，壓力大，其合力(機(jī)翼升力)方向指向葉片腹部，對(duì)應(yīng)的軸流風(fēng)機(jī)葉片受力合力方向?yàn)閺娘L(fēng)機(jī)出口指向入口，因此當(dāng)二級(jí)第5號(hào)葉片首先發(fā)生斷裂的瞬間，斷裂的葉片由于慣性從二級(jí)葉輪甩向一級(jí)葉片方向，在風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，斷裂的葉片在一級(jí)和二級(jí)葉片之間瞬間對(duì)其他葉片進(jìn)行連續(xù)碰撞擊打，導(dǎo)致其他葉片發(fā)生全部損壞，而不是斷裂的二級(jí)葉片隨風(fēng)的流向甩入風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道中。同時(shí)根據(jù)圖1所示，一級(jí)葉片受損部位豁口主要位于葉片的出口，二級(jí)葉片受損部位豁口主要集中于入口位置，也表明了是二級(jí)斷裂的葉片掉入一級(jí)和二級(jí)之間，對(duì)風(fēng)機(jī)的其他葉片造成損壞[10]。

6 結(jié)論

a.一次風(fēng)機(jī)二級(jí)第5號(hào)葉片端部首先發(fā)生斷裂，斷裂的葉片在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)其他葉片的高速打擊是造成其他葉片損壞的直接原因。

b.二級(jí)第5號(hào)葉片斷裂是由于葉身表面存在原始開裂缺陷，在風(fēng)機(jī)失速造成的激振力作用下葉片在裂紋位置發(fā)生瞬斷。

c.空預(yù)器堵塞，加之煤質(zhì)差，煤量大，一次風(fēng)量偏高，一次風(fēng)系統(tǒng)的阻力增加，風(fēng)機(jī)的比壓能升高，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn)脫離正常運(yùn)行范圍而發(fā)生失速。