大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇斷裂原因分析及對策

劉秀明

（大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472143）

0 引言

大型汽輪發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因?yàn)槎ㄗ恿悴考撀湓斐傻亩ㄗ咏^緣磨損接地的故障時有發(fā)生[1-2]，轉(zhuǎn)子因設(shè)計(jì)和安裝工藝控制標(biāo)準(zhǔn)較高，零部件脫落導(dǎo)致機(jī)組非停的案例相對較少[3]，轉(zhuǎn)子運(yùn)行中風(fēng)扇葉片（以下簡稱“葉片”） 斷裂的案例多見于水輪發(fā)電機(jī)[4]，大型汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中轉(zhuǎn)子導(dǎo)電螺釘脫落、固定螺栓松動現(xiàn)象時有發(fā)生，轉(zhuǎn)子風(fēng)扇葉片運(yùn)行中斷裂現(xiàn)象極為罕見[5]。2018 年9 月，某電廠4 號機(jī)組A 級檢修期間，內(nèi)檢發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵端葉片斷裂飛逸，造成發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子不同程度受損。

1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇斷裂故障情況

1.1 發(fā)電機(jī)概況

某電廠4 號汽輪發(fā)電機(jī)是哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-630-2YHG 型630 MW 三相交流隱極式同步發(fā)電機(jī)，2006 年8 月投運(yùn)。發(fā)電機(jī)冷卻方式為水-氫-氫，采用定轉(zhuǎn)子相匹配的“五進(jìn)六出”徑向多流式通風(fēng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子采用懸掛式護(hù)環(huán)-中心環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸兩端的風(fēng)扇為旋漿式，葉片采用合金鋁模鍛件，每端葉片數(shù)量29 個，單個葉片質(zhì)量0.7 kg，導(dǎo)風(fēng)環(huán)兩端各1 個，單個質(zhì)量150 kg[6]。發(fā)電機(jī)分別于2012 年4 月和2015 年10 月進(jìn)行過2 次抽轉(zhuǎn)子大修，機(jī)組運(yùn)行中發(fā)電機(jī)溫度、振動、電壓、電流等各參數(shù)正常。

1.2 轉(zhuǎn)子損傷情況

轉(zhuǎn)子的勵磁端（以下簡稱“勵端”） 29 片葉片中24 片破損，轉(zhuǎn)子表面有碎屑剮蹭造成的輕微損傷。

a） 12 號葉片和1 號葉片墜落在勵端風(fēng)扇區(qū)域底部，但其定位螺絲均未折斷。

b） 編號為 3 號、4 號、5 號、6 號、9 號、11號、18 號、22 號、24 號、29 號 10 片葉片完好，7 號、8 號、10 號3 片葉片輕微受損，2 號、13號、14 號、15 號、16 號、17 號、19 號、20 號、21 號、23 號、25 號、26 號、27 號、28 號 14 片葉片受損嚴(yán)重。受損葉片多為葉片迎風(fēng)側(cè)、頂部缺角、凹陷、彎曲、頂部輕微擦傷磨損等情況。

c） 斷裂的2 片葉片均為螺紋根部斷裂，查看斷裂葉片的螺絲露出螺母兩圈，與其他未斷裂的葉片螺絲相比沒有差異甚至緊固程度更優(yōu)。葉片螺母鎖片安裝不當(dāng)，大部分鎖片鎖舌缺失，部分完好的鎖片鎖舌也未按要求插入定位孔。

d） 轉(zhuǎn)子表面各風(fēng)區(qū)有不同程度的異物擦傷情況，從磨損的嚴(yán)重程度上看，靠近轉(zhuǎn)子中部的4～7 風(fēng)區(qū)葉片表面劃痕較多、深度較深，端部風(fēng)區(qū)葉片表面劃痕相對較少、較淺。

1.3 定子受損情況

定子線棒勵端端部4 個手包絕緣受損，膛內(nèi)散落有轉(zhuǎn)子葉片脫落的碎屑，導(dǎo)風(fēng)環(huán)多根支撐條受損，導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)壁嚴(yán)重劃傷。

a） 勵端9 點(diǎn)半方向的4 個定子線棒手包絕緣損傷，其中22 號、24 號、25 號上層線棒手包絕緣損傷較為嚴(yán)重，22 號上層線棒水電接頭盒處有明顯擊打凹陷痕跡。

b） 發(fā)電機(jī)的勵端下端蓋4 個定位塊和2 個定位銷正常無變化，內(nèi)端蓋、導(dǎo)風(fēng)環(huán)沒有出現(xiàn)上移或下沉情況。

c） 導(dǎo)風(fēng)環(huán)共 22 個支撐，2 點(diǎn)到 6 點(diǎn)鐘方向（站在定子膛外面向勵端，下同），5 根完全折斷，其中1 根脫落；6 點(diǎn)到8 點(diǎn)方向，1 根斷裂4 根不同程度受損。

d） 上下導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)壁多個方位有較深的短劃痕，最大深度超過1 mm。導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)有3 段較長劃痕，分別位于2 點(diǎn)半至4 點(diǎn)、5 點(diǎn)至7 點(diǎn)、8 點(diǎn)至9 點(diǎn)半方向，但3 段較長的劃痕之間有間斷。

2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇斷裂原因分析

2.1 轉(zhuǎn)子葉片斷裂先后順序

從1 號、12 號葉片斷口分析，斷裂位置相同，均為螺帽與葉片螺紋接觸的第一圈部位，同時也是葉片最大受力部位。12 號葉片為平斷口，1 號葉片為斜斷口，12 號葉片損壞較為嚴(yán)重，且扇葉迎風(fēng)面沒有缺口，而斷裂的1 號葉片以及其他受損的葉片均在相同位置有一致缺口，可以判斷12 號葉片先發(fā)生斷裂，1 號葉片后發(fā)生斷裂，其他葉片受損原因?yàn)槿~片隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過程中與斷裂葉片或葉片碎屑碰撞所致。

2.2 轉(zhuǎn)子葉片螺栓斷裂原因

對12 號葉片斷口分析，斷裂起源于螺紋的底部，整圈起源沿螺紋底部向心部發(fā)展，斷裂最先起源區(qū)長約10 mm，從螺紋底部向下有一個斷裂臺階，深約1.5 mm。

從斷裂最先起源處到斷裂最終結(jié)束處沿螺桿橫截面取樣，檢查發(fā)現(xiàn)螺帽與葉片螺桿的螺紋不匹配，完全咬合的只有2 個齒，其余都沒有完全咬合。對1 號、12 號斷裂葉片進(jìn)行金相檢查，金相組織都是鋁的α 相及鋁硅共析相，金相組織正常。12 號斷裂葉片螺紋底部裂紋平直，尖端尖銳，為穿晶裂紋。

第一齒距螺紋底部約有2 mm 的間隙，第二齒距螺紋底部約有1.5 mm 的間隙，第三齒距螺紋底部約有1 mm 的間隙。檢查發(fā)現(xiàn)斷裂最先起源處的第二、第三齒底部都出現(xiàn)了與螺桿平行的裂紋，其中第二齒的裂紋長約1.5 mm，第三齒的裂紋長約1 mm。

綜上分析，葉片經(jīng)過2 次發(fā)電機(jī)大修拆裝后，螺母與葉片螺栓匹配不良，受發(fā)電機(jī)點(diǎn)檢、檢修人員技能水平及認(rèn)知程度限制，雖然發(fā)電機(jī)廠設(shè)計(jì)有專用力矩扳手，但大部分發(fā)電廠均沒有配備該專用工具，為讓螺栓擰緊，一般使用敲擊扳手擊打的方式安裝，實(shí)際安裝力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉片螺栓設(shè)計(jì)力矩294 N·m，使得螺母擰得過緊，緊力矯枉過正，接觸面積小的螺紋受力過大，從而在螺栓與螺母接觸的第一、二、三螺紋底部出現(xiàn)裂紋，在機(jī)組運(yùn)行中轉(zhuǎn)動的離心力使得裂紋改變方向并發(fā)生斷裂。

2.3 轉(zhuǎn)子表面損傷原因

轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)葉片與脫落葉片及導(dǎo)風(fēng)環(huán)碰摩時產(chǎn)生的碎片，一部分掉落在導(dǎo)風(fēng)環(huán)下方的底部區(qū)域或內(nèi)端蓋外部，另一部分被高速旋轉(zhuǎn)葉片擊打飛出或隨氫氣氣流沿著定轉(zhuǎn)子氣隙飛向定子膛內(nèi)，碎片竄動過程中與快速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子表面發(fā)生剮蹭，并集中在靠近中部風(fēng)速較低的4～7 風(fēng)區(qū)，造成轉(zhuǎn)子表面的劃傷。

2.4 定子繞組手包絕緣損傷原因

從導(dǎo)風(fēng)環(huán)損傷情況看，導(dǎo)風(fēng)環(huán)支撐自1 點(diǎn)鐘沿逆時針至9 點(diǎn)鐘方向范圍內(nèi)均未受到損傷，且導(dǎo)風(fēng)環(huán)內(nèi)壁長短劃痕均從11 點(diǎn)鐘方向之后消失，由此推斷，12 號葉片是從11 點(diǎn)鐘方向附近飛出導(dǎo)風(fēng)環(huán)的，而與該處切向位置對應(yīng)部位大致是定子9 點(diǎn)半方向受損的手包絕緣，因此12 號葉片從導(dǎo)風(fēng)環(huán)飛出后借助慣性擊打在了9 點(diǎn)半處的手包絕緣上。1 號葉片在受到12 號葉片的擊打后根部產(chǎn)生裂紋，然后在離心力作用下根部斷裂并最終脫落。由于1 號葉片表面較為嚴(yán)重的損傷僅有3處，可以推斷該葉片在脫落后由于隨機(jī)性外力作用直接飛向了膛內(nèi)方向，沒有與導(dǎo)風(fēng)環(huán)和其他葉片產(chǎn)生激烈碰撞，2 號葉片之后連續(xù)9 片葉片損傷輕微也可以印證這一點(diǎn)。從1 號葉片根部斷裂面上殘留的半透明手包絕緣物質(zhì)分析，1 號葉片飛入膛內(nèi)后初始的打擊點(diǎn)是9 點(diǎn)半方向的手包絕緣，因?yàn)槌酥馓艃?nèi)沒有其他嚴(yán)重的手包絕緣損傷或磕碰痕跡，根據(jù)葉片脫落時的運(yùn)動軌跡推斷，1 號葉片大致是從11 點(diǎn)鐘方向脫出導(dǎo)風(fēng)環(huán)飛向定子繞組端部。

2.5 發(fā)電機(jī)定子未接地或相間短路原因

1 號、12 號葉片飛出后，未傷及端部絕緣引水管及繞組防暈層，破壞力顯著降低；飛出葉片打在22 號、24 號、25 號等上層線棒手包絕緣上，僅22 號上層線棒水電接頭盒手包絕緣被打穿露銅，其他部位手包絕緣有不同程度損傷，但受損程度相對偏輕，剩余部分絕緣厚度未達(dá)到發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓下絕緣擊穿厚度；發(fā)電機(jī)定子只有22 號上層線棒手包絕緣一個絕緣薄弱點(diǎn)，該點(diǎn)距發(fā)電機(jī)接地部分及其他繞組的距離超過了發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓的最小放電間隙；4 號發(fā)電機(jī)運(yùn)行中防止發(fā)電機(jī)進(jìn)油工作控制較好，各部位均未有明顯油污或積油，客觀上遏制了絕緣受損部位絕緣爬電通道的形成，避免劣化閃絡(luò)或擊穿情況發(fā)生[7]。

2.6 轉(zhuǎn)子葉片脫落后汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)軸系振動無明顯變化原因

查詢4 號發(fā)電機(jī)DCS 歷史趨勢，在最近3 次啟、停機(jī)過程中，發(fā)電機(jī)瓦振、軸振均無明顯變化。出現(xiàn)這種情況的原因有三：斷裂的2 個葉片角度偏差為150°，接近180°的平衡角度；轉(zhuǎn)子葉片所在區(qū)域?yàn)槎A振型區(qū)域，3 000 r/min 運(yùn)行工況下葉片對軸瓦振動影響不明顯；發(fā)電機(jī)振動測點(diǎn)安裝在軸瓦外油擋部位，不監(jiān)測發(fā)電機(jī)跨內(nèi)主振型，模擬試驗(yàn)顯示，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)或風(fēng)扇座區(qū)域加裝配重效果不好，只是在軸瓦外側(cè)聯(lián)軸器區(qū)域加配重效果的1/10 左右，對發(fā)電機(jī)軸瓦及以外部位振動影響很小。

3 處理方案

a） 對轉(zhuǎn)子進(jìn)、出風(fēng)孔用氮?dú)夥磸?fù)吹掃，將內(nèi)部可能存在的金屬碎屑清理干凈，使用內(nèi)窺鏡檢查轉(zhuǎn)子各通風(fēng)孔，確認(rèn)無金屬碎屑?xì)埩?。處理后進(jìn)行轉(zhuǎn)子風(fēng)速試驗(yàn)、動態(tài)及靜態(tài)匝間短路檢查試驗(yàn)[8]和交流阻抗測試等全套轉(zhuǎn)子電氣預(yù)防性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定進(jìn)一步處理措施。

b） 更換轉(zhuǎn)子勵端全部葉片，對汽、勵端全部葉片進(jìn)行金屬探傷，合格后方可回裝。根據(jù)勵端29 個新葉片的實(shí)際質(zhì)量，平均分配到風(fēng)扇座環(huán)上，確保風(fēng)扇葉裝配平衡，一次安裝到位。

c） 更換汽、勵端葉片全部配套螺母、鎖片。螺母安裝使用哈爾濱電機(jī)廠提供的專用力矩扳手，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)力矩要求的294 N·m 執(zhí)行。

d） 鑒于勵端導(dǎo)風(fēng)環(huán)被脫落的葉片嚴(yán)重破壞，修復(fù)成本高且無法保證修復(fù)質(zhì)量，更換導(dǎo)風(fēng)環(huán)。

e） 對定子膛內(nèi)進(jìn)行全面異物排查，膛內(nèi)、背部、腹部通風(fēng)孔、縫隙部位殘留葉片碎屑用吸塵器和氮?dú)夥磸?fù)清理。清理后使用肉眼和內(nèi)窺鏡檢查確認(rèn)上述部位無異物殘留。

f） 進(jìn)行定子內(nèi)冷水路氣密試驗(yàn)，檢查水路尤其是手包絕緣受損部位是否存在漏點(diǎn)，試驗(yàn)合格后對損壞的手包絕緣全部重新包扎處理。完成后對發(fā)電機(jī)定子按照預(yù)試規(guī)程，進(jìn)行定子繞組泄漏電流和直流耐壓、交流耐壓、定子鐵芯試驗(yàn)以及端部手包絕緣實(shí)施表面對地電位等全套電氣預(yù)防性試驗(yàn)。

4 防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇斷裂的建議

a） 堅(jiān)持“逢停必檢”的原則。同類型發(fā)電機(jī)停運(yùn)后具備氣體置換和內(nèi)檢條件的要安排內(nèi)檢，對轉(zhuǎn)子風(fēng)扇葉片固定、位移情況進(jìn)行檢查，并且對膛內(nèi)底部、出線區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)有金屬碎屑、絕緣剝落物等異物時，要引起高度重視，原因不明必須擴(kuò)大檢查范圍，必要時抽轉(zhuǎn)子進(jìn)行全面檢查，及時處理發(fā)電機(jī)早期缺陷。

b） 發(fā)電機(jī)大修期間，全面排查轉(zhuǎn)子風(fēng)扇與螺母匹配情況，螺母拆下后不能用手輕松擰至葉片根部的必須更換螺母或葉片。

c） 加強(qiáng)對轉(zhuǎn)子風(fēng)扇金相檢驗(yàn)探傷工作，增加對風(fēng)扇葉片螺栓螺紋探傷項(xiàng)目，做到逢拆卸必探傷，發(fā)現(xiàn)金相異常，必須更換。

d） 使用發(fā)電機(jī)廠提供的專用力矩扳手，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)力矩進(jìn)行風(fēng)扇葉片螺栓緊固工作，避免過力矩或欠力矩情況出現(xiàn)。

e） 導(dǎo)風(fēng)環(huán)與風(fēng)扇葉片間隙要符合發(fā)電機(jī)廠相關(guān)安裝標(biāo)準(zhǔn)，拆裝時做好數(shù)據(jù)確認(rèn)與復(fù)核工作，測量值與歷史值及初始值偏差大時，應(yīng)查明原因，并做好記錄[9]。

f） 發(fā)電機(jī)每次抽轉(zhuǎn)子檢修，對內(nèi)端蓋、風(fēng)扇葉的螺栓安裝鎖片進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有斷裂或缺口的必須更換，鎖片安裝應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)并納入停工待檢點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)收。

g） 高度重視發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)油對發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行帶來的危害，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有進(jìn)油跡象時要利用檢修機(jī)會對密封瓦、差壓閥等部位進(jìn)行有針對性的檢查處理。

5 結(jié)束語

4 號發(fā)電機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)子葉片根部斷裂，雖然沒有造成發(fā)電機(jī)短路或接地等嚴(yán)重后果，但問題的性質(zhì)非常嚴(yán)重。螺母與螺栓匹配不良，且螺栓未按照標(biāo)準(zhǔn)力矩要求緊固，使得螺母擰得過緊，局部螺紋底部出現(xiàn)裂紋，轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生斷裂，是此次故障的根本原因。發(fā)電機(jī)日常運(yùn)行及啟停機(jī)過程中防進(jìn)油措施執(zhí)行到位，脫落葉片僅擊中了定子繞組水電接頭，未損傷絕緣引水管、端部線棒等其他絕緣脆弱部位，僥幸避免了機(jī)組非停乃至更大事故的發(fā)生。目前，正值國內(nèi)2006 年至2010 年期間哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的300 MW、600 MW 等級發(fā)電機(jī)問題集中出現(xiàn)的敏感時期，對此類問題系統(tǒng)內(nèi)外兄弟單位應(yīng)引以為鑒。