汽輪機(jī)調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)斷裂受力分析與技術(shù)改造

程玉春(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 概況

B1.6-1.6/0.66型多級(jí)背壓式汽輪機(jī)組，由杭州大路實(shí)業(yè)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。采用1.73MPa蒸汽動(dòng)力源，背壓蒸汽0.46MPa，兩級(jí)壓力級(jí)，一級(jí)復(fù)速級(jí)，調(diào)速系統(tǒng)控制采用以微處理器為基礎(chǔ)的505調(diào)速器。調(diào)速器采用菜單式驅(qū)動(dòng)軟件以引導(dǎo)現(xiàn)場操作根據(jù)具體的機(jī)械驅(qū)動(dòng)應(yīng)用要求，對(duì)調(diào)速器進(jìn)行編程組態(tài)。505調(diào)速器設(shè)置成獨(dú)立單元，并連同中控室DCS系統(tǒng)一起運(yùn)行。該汽輪機(jī)組驅(qū)動(dòng)一臺(tái)2000KW水泵，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由調(diào)速器，調(diào)節(jié)汽閥連桿，主汽閥，調(diào)節(jié)汽閥部件組成，通過對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的作用。在實(shí)際運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)發(fā)生過2次斷裂，導(dǎo)致汽輪機(jī)跳車。對(duì)該汽輪機(jī)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了連桿的材質(zhì)結(jié)構(gòu)和受力分析，找出其不合理性，實(shí)施了改造，消除改汽輪機(jī)連桿故障跳車隱患。

2 調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)故障分析

2.1 調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)

調(diào)速器采用PGPL執(zhí)行器蒸汽透平控制的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行器配備一個(gè)專用齒輪和磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器，通過調(diào)速器驅(qū)動(dòng)來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從PG機(jī)械液壓調(diào)速器轉(zhuǎn)換到電子控制系統(tǒng)。調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過連桿構(gòu)件與調(diào)速閥門相連接，連桿機(jī)構(gòu)見(圖1、2)。

圖1 調(diào)速器連桿圖

圖2 調(diào)速器連桿簡圖

2.2 調(diào)速器工作原理

Woodward 505調(diào)速器由電子調(diào)速電路、就地控制盤、轉(zhuǎn)速磁性探測探頭和調(diào)速器電業(yè)控制機(jī)構(gòu)四部分組成，它與汽輪機(jī)符合(出口流量)調(diào)節(jié)器構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器為組態(tài)DCS中的汽輪機(jī)負(fù)荷(出口流量)PID調(diào)節(jié)模塊，主參數(shù)為出口流量，副調(diào)節(jié)器為WOODWARD505調(diào)速器，出口流量與SP調(diào)速器的設(shè)定值SP，在505調(diào)速器內(nèi)部的轉(zhuǎn)速控制PID模塊中，出口流量SP與轉(zhuǎn)速測量值N進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差，放大后去控制調(diào)速器電液控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)[1]。該B1.6-1.6/0.66型多級(jí)背壓式汽輪機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)達(dá)到800RPM/MIN時(shí)，505調(diào)速器自動(dòng)接管調(diào)速控制，當(dāng)輸入給定轉(zhuǎn)述時(shí)，調(diào)速器會(huì)同步輸出型號(hào)控制主蒸汽閥門開度，自動(dòng)調(diào)節(jié)至規(guī)定轉(zhuǎn)速。

調(diào)速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過伸縮連桿(圖-2)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以固定架為支點(diǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，帶動(dòng)汽輪機(jī)出氣閥門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。連桿①經(jīng)調(diào)速器產(chǎn)生動(dòng)力往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)向右側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿②順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主蒸汽閥門桿③向左側(cè)移動(dòng)，蒸汽閥門開大，蒸汽量增大，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速提高。反之當(dāng)連桿①當(dāng)向左側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿②逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主蒸汽閥門桿③向右側(cè)移動(dòng)，蒸汽閥門開小，蒸汽量減少，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低。

2.3 汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)

汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)

3 故障分析

3.1 故障問題一

該汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行了6個(gè)月先后兩次連桿機(jī)構(gòu)斷裂故障，導(dǎo)致汽輪機(jī)跳車(見圖3、圖4)。

圖3、圖4在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)在調(diào)速過程中，連桿插口處突然斷裂，斷口整齊，斷面有金屬光澤，卡口處側(cè)面有磨損深痕，斷裂后連桿控制系統(tǒng)失效，汽輪機(jī)緊急停車。

圖3 調(diào)速器連桿③斷裂

圖4 調(diào)速器連桿③斷裂表面出現(xiàn)磨痕

3.2 故障問題二

汽輪機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后突發(fā)跳車，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)連桿與調(diào)速閥門連接U型接頭斷裂(見圖5、圖6)。該U型接頭與連桿③用φ12mm銷柱鉸連接，只能做拉伸運(yùn)動(dòng)來控制閥門開度。

圖5 U型連接頭斷裂

圖6 調(diào)速器連桿U型連接頭

汽輪機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，一般情況下調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)是起到杠桿原理的作用，受調(diào)速器輸出信號(hào)變量，產(chǎn)生動(dòng)能傳遞連桿往復(fù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)蒸汽閥門開關(guān)控制調(diào)節(jié)。但出現(xiàn)U型接頭一端斷裂，則說明該接頭收到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大，存在較大應(yīng)力導(dǎo)致斷裂，分析該問題并采取措施加以解決。

4 故障分析

4.1 故障分析問題一

調(diào)速器連桿接頭斷裂。連桿插頭中間是銷柱，其運(yùn)行往復(fù)運(yùn)行方式看出連桿插頭部位收到剪切力作用。受力分析見圖7。

圖7中調(diào)速器連桿收到剪切力P作用，向左移動(dòng)，帶動(dòng)注銷連桿向左移動(dòng)，接頭下端收到P1作用力。分析A-A截面(斷裂面)

圖7 調(diào)速器連桿受力圖

4.1.1 計(jì)算受力情況

連桿材質(zhì)為20#優(yōu)質(zhì)碳素鋼，10#鋼鍛件在225℃時(shí)的許用應(yīng)力是130MPa，一般情況下塑性材料的剪切強(qiáng)度極限約等于其拉伸極限強(qiáng)度值的60%～80%。既[τ]=(0.6-0.8)[σ]，20#鋼剪切應(yīng)力取[τ]=0.7×130=91.0MPa[2]。

計(jì)算PGPL型調(diào)速器傳輸機(jī)構(gòu)連桿剪切力分析：已知條件 液壓驅(qū)動(dòng)功率最大(P)375W(牛頓·米/秒),頻率響應(yīng)調(diào)速器10%～90%回轉(zhuǎn)速率(VS)670ms，行程(L)25mm。連桿受力截面尺寸(A)0.02×0.008m2。則調(diào)速器在回轉(zhuǎn)狀況下的輸出力為Q=P/(L÷VS)=375×670×103/(25÷670)=10050N。

根據(jù)剪切力公式：

經(jīng)核算調(diào)速器連接桿接頭處τmax=62.81MPa，許用剪應(yīng)力[τ]=91.0MPaτmax＜[τ]，連桿受力滿足抗剪切力條件[3]。

4.1.2 連桿斷裂面結(jié)構(gòu)分析

從圖4中可以看出，連桿側(cè)面有明顯擠壓磨痕，說明在運(yùn)行過程中產(chǎn)生很大的扭力矩，受力端銷柱磨損已變形，在擠壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下，連桿已出現(xiàn)金屬延伸變形，在交變載荷作用下金屬出現(xiàn)疲勞，易發(fā)生斷裂。

從開槽部位上看結(jié)構(gòu)不合理，在加工U型槽時(shí)，直角處沒有設(shè)置倒角，時(shí)U型槽根部加工過程產(chǎn)生應(yīng)力集中，在根部的剪切應(yīng)力值最大，材料或結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下產(chǎn)生的破壞屬于疲勞破壞。首先分析汽輪機(jī)連桿產(chǎn)生交變應(yīng)力有以下幾個(gè)方面：

(1)汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力突然波動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)速機(jī)構(gòu)迅速動(dòng)作，連桿受拉伸力和旋轉(zhuǎn)力同時(shí)作用下，產(chǎn)生較大交變應(yīng)力。

(2)汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度過低，導(dǎo)致蒸汽凝液進(jìn)入機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生葉片沖擊，產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，致使調(diào)速器連桿震顫，受力增大。

(3)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障導(dǎo)致汽輪機(jī)聯(lián)鎖動(dòng)作跳車時(shí)，可使調(diào)速器連桿克服進(jìn)汽壓力迅速關(guān)閉，傳遞給連桿很大的作用力。

這樣調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)在交變循環(huán)應(yīng)力作用下，且連桿受力處逐漸產(chǎn)生局部擠壓永久性磨痕損傷，經(jīng)數(shù)次循環(huán)次后逐漸產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。 當(dāng)材料和結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象屬于金屬的疲勞破壞[4]。調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)的疲勞特性不僅決定于材料本身，而且還決定于構(gòu)件的形狀，尺寸、表面狀態(tài)、服役條件和環(huán)境等方面，而在實(shí)際運(yùn)行中工藝條件變化引起的汽輪機(jī)頻繁波動(dòng)的影響，導(dǎo)致調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)受交變載荷的循環(huán)應(yīng)力作用有很大因素。以上分析，確認(rèn)連桿斷裂部位受循環(huán)應(yīng)力影響發(fā)生的疲勞斷裂。

4.2 故障分析問題二

調(diào)速器連桿U型接頭斷裂分析。從接頭斷裂面分析，是受到扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力破壞，受力分析(見圖8、圖9)。

圖8 連桿接頭見圖

圖9 連桿接頭三維圖

計(jì)算斷裂截面A面積：已知R=20；a=16/2=8；則面積A為

圓軸扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計(jì)算。圓軸扭轉(zhuǎn)是強(qiáng)度計(jì)算公式，T為外力扭矩N·m；Wt為抗扭截面模量。

T—外力扭矩計(jì)算，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力(P)1.6MPa，切線進(jìn)入調(diào)節(jié)閥內(nèi)，與閥桿和閥板成90°角，對(duì)閥芯產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，由閥桿帶動(dòng)連接部位產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭力。閥芯直徑d=220mm與蒸汽接觸面積為S，則：

連桿接頭邊緣最大扭矩：

Wt為抗扭截面模量計(jì)算，實(shí)心圓截面

在靜載荷作用下，材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力[τ]與材料許用拉應(yīng)力[σ]之間存在如下關(guān)系：塑性材料[τ]=(0.65-0.7)[σ]，故[τ]取0.65[σ].20#優(yōu)質(zhì)碳素鋼，20#鋼鍛件在225℃時(shí)的許用應(yīng)力是130MPa，20#鋼剪切應(yīng)力取[τ]=0.65×130=84.5MPa。

以上數(shù)據(jù)得出：

扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ1=94.98MPa＞[τ]=84.5MPa，在最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力情況下發(fā)生斷裂。

純剪應(yīng)力τ2=77.43MPa＜[τ]max=84.5MPa，連接桿件在純剪切力作用下，不會(huì)發(fā)生斷裂。

4.2.1 調(diào)速器連桿U型接頭斷裂分析

數(shù)據(jù)分析結(jié)果看出，導(dǎo)致調(diào)速桿U型連接件斷裂的原因是扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力過大造成的。就是說明汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力1.6MPa進(jìn)入閥門腔體內(nèi)與閥座成90°轉(zhuǎn)化為了扭轉(zhuǎn)力。這種情況只有在汽輪機(jī)蒸汽壓力突然波動(dòng)或者蒸汽帶凝液情況下，造成閥門突然開大或關(guān)小，引起的調(diào)速桿震顫，機(jī)體振動(dòng)。這次調(diào)速器連桿U型接頭斷裂跳車趨勢查詢發(fā)現(xiàn)蒸汽壓力及調(diào)速器閥位波動(dòng)曲線極為劇烈，機(jī)體振動(dòng)值變化增大。屬于異常情況下，造成調(diào)速閥桿的扭轉(zhuǎn)力過大是發(fā)生U型連接件斷裂的主要原因。

5 采取措施

5.1 故障問題一采取的措施

(1)提高調(diào)速器連桿材質(zhì)，由20#鋼提升材質(zhì)為40Cr材質(zhì)，40Cr鋼[σmax]=735MPa，性能優(yōu)越，鋼表面經(jīng)過淬火硬化處理，增強(qiáng)了接頭耐磨性。

(2)調(diào)速器連桿尺寸厚度由10mm增加至12mm，增大受力面積，提高強(qiáng)度。

(3)改善調(diào)速器連桿插頭端結(jié)構(gòu)，增設(shè)倒角(見圖10、圖11)。目的是避免夾角處的裂紋產(chǎn)生，圓角過渡消除殘余應(yīng)力，延長桿的壽命。

圖10 調(diào)速器連桿

圖11 調(diào)速器連桿U型接頭

5.2 故障問題二 采取的措施

(1)提高調(diào)速器連桿材質(zhì)，由20#鋼提升材質(zhì)為40Cr材質(zhì)，40Cr鋼[σmax]=735MPa，性能優(yōu)越，鋼表面經(jīng)過淬火硬化處理，增強(qiáng)了接頭耐磨性[2]。

(2)閥桿接頭結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)加大，提高金屬強(qiáng)度。

(3)改善調(diào)速器閥桿接頭端結(jié)構(gòu)，增設(shè)倒角(見圖11)。目的是避免夾角處的裂紋產(chǎn)生，圓角過渡消除殘余應(yīng)力，延長桿的壽命。

(4)加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)措施。汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，嚴(yán)格控制進(jìn)汽壓力和溫度波動(dòng)，不允許出現(xiàn)大幅度數(shù)值跳動(dòng)，進(jìn)氣壓力控制在1.55～1.60MPa范圍內(nèi)，進(jìn)氣溫度控制在295～310℃范圍內(nèi)。防止調(diào)速器閥門出現(xiàn)調(diào)整震顫，造成連桿機(jī)構(gòu)受力不均發(fā)生斷裂[3]。

6 結(jié)語

B1.6-1.6/0.66型多級(jí)背壓式汽輪機(jī)組在運(yùn)行中連續(xù)出現(xiàn)兩次調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)斷裂；對(duì)其連桿構(gòu)件斷裂部位進(jìn)行了應(yīng)力分析，通過材質(zhì)提升，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，工藝控制措施，解決了上述問題，自汽輪機(jī)調(diào)速器連桿機(jī)構(gòu)改造后，再?zèng)]有發(fā)生過調(diào)速器連桿斷裂或彎曲等故障，本次技術(shù)改造良好，達(dá)到了消除隱患的目的。