660MW機(jī)組汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因的分析

張呂華/浙江浙能電力股份有限公司

朱朝陽(yáng) 劉川槐/淮浙煤電鳳臺(tái)發(fā)電分公司

660MW機(jī)組汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因的分析

張呂華/浙江浙能電力股份有限公司

朱朝陽(yáng) 劉川槐/淮浙煤電鳳臺(tái)發(fā)電分公司

0 引言

淮浙煤電鳳臺(tái)發(fā)電廠二期擴(kuò)建2× 660MW工程3、4號(hào)機(jī)組鍋爐系上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的SG-2009/ 28-M6004型超超臨界變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，鍋爐采用單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、П型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。兩臺(tái)機(jī)組分別于2013年12月9日和2013年12月27日通過168小時(shí)滿負(fù)荷連續(xù)試運(yùn)行并投入商業(yè)運(yùn)行。每臺(tái)鍋爐配兩臺(tái)小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的HA46048-8Z型靜葉可調(diào)軸流式聯(lián)合引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)如下：

風(fēng)機(jī)型號(hào)：HA46048-8Z；流量：513.3m3/s；全壓升：9 839Pa；效率：85.6％；介質(zhì)溫度：140℃；轉(zhuǎn)速：995r/min；葉輪直徑：3 000mm；葉輪級(jí)數(shù)：1級(jí)；每級(jí)葉片數(shù)：19片；靜葉角度調(diào)節(jié)范圍：-75°～30°；輪轂及葉片材質(zhì)：進(jìn)口NAXTRA700高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼；風(fēng)機(jī)制造廠家：成都電力機(jī)械廠；驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)型號(hào)：NG40/32；額定功率：5.946MW；額定氣壓：4.947MPa；進(jìn)氣溫度：345.8℃；轉(zhuǎn)速：7 665r/min；減速機(jī)轉(zhuǎn)速比：7.7：1；汽輪機(jī)制造廠家：杭州汽輪機(jī)股份有限公司。

2014年4月22日，3號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行過程中，3B汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)組減速機(jī)振動(dòng)突升，保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組RB。隨即對(duì)小汽輪機(jī)、減速機(jī)及風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查：3B汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)跳閘后，小汽輪機(jī)盤車無(wú)法投入，手動(dòng)盤車，并打開減速機(jī)檢查蓋檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，盤車仍有聲響，脫開風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器后盤動(dòng)小汽輪機(jī)正常，無(wú)異音，沖轉(zhuǎn)小汽輪機(jī)無(wú)異常，初步判斷小汽輪機(jī)及減速機(jī)正常。打開引風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道人孔門，查看靜葉及靜葉開關(guān)情況，未見異常，但在查看風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有葉片彎曲變形；揭開葉輪上蓋進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)葉輪有一片葉片已斷裂，其他葉片受碰擊后彎曲變形，其中17片葉片根部焊縫處有明顯裂紋，且2片葉片裂紋延伸至輪轂；風(fēng)機(jī)外殼頂部擊穿、底部磨損，圓鋼支撐桿被擊打脫落；后導(dǎo)葉頂部有輕微損壞，靜葉未見損傷。

3B引風(fēng)機(jī)葉輪損壞后，機(jī)組被迫降出力運(yùn)行，由于無(wú)備用葉輪，速聯(lián)系制造廠準(zhǔn)備新葉輪，并將損壞葉輪運(yùn)送至制造廠修復(fù)。5月7日，3號(hào)機(jī)組停運(yùn)，電廠安排對(duì)3A引風(fēng)機(jī)進(jìn)行揭蓋檢查，發(fā)現(xiàn)該引風(fēng)機(jī)葉輪有11片葉片存在不同程度的裂紋，其中1片葉片裂紋延伸至輪轂。

1 原因分析

靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式為單個(gè)葉輪，前、后設(shè)置導(dǎo)葉，葉輪由許多相同翼型的葉片，徑向排列成彼此間距離相等的葉柵，為了獲得較高的效率，葉片做成扭曲形。前置導(dǎo)葉的工作原理是，在設(shè)計(jì)工況下，流體進(jìn)入導(dǎo)葉后產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)速度，流體經(jīng)過導(dǎo)葉后的流動(dòng)方向是軸向的。從葉輪流出的氣流為螺旋狀沿軸向流動(dòng)，這個(gè)氣流運(yùn)動(dòng)可以分解為沿軸向的運(yùn)動(dòng)和圓周方向的運(yùn)動(dòng)。為了減少能量損失，回收?qǐng)A周方向運(yùn)動(dòng)的能量，在葉輪出口端裝置導(dǎo)葉——后置導(dǎo)葉，后導(dǎo)葉是靜止不動(dòng)的。氣流經(jīng)過葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣體獲得了能量，經(jīng)后導(dǎo)葉、擴(kuò)壓筒而獲得較高的風(fēng)壓。該引風(fēng)機(jī)采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速機(jī)減速，利用汽輪機(jī)進(jìn)氣量變化來(lái)改變汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)。為便于調(diào)節(jié)控制，運(yùn)行中預(yù)置前導(dǎo)葉開度于85％～90％保持不變，前置導(dǎo)葉在變工況時(shí)，不再起到調(diào)節(jié)的作用，這樣可以適應(yīng)流量在較大范圍內(nèi)變化，而且有較高的效率。

圖1和圖2為3B引風(fēng)機(jī)葉輪開裂的現(xiàn)場(chǎng)圖片，圖1可見其中一片葉片已完全斷裂，圖2可見大部分葉片根部均有裂紋產(chǎn)生，有的位于焊縫根部，有的距焊縫根部尚有一定的距離。根據(jù)引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及裂紋形態(tài)可以判定該葉片裂紋起源點(diǎn)位于葉片最端部，而后沿焊縫根部擴(kuò)展，最后在葉片中間位置撕開。

圖1 引風(fēng)機(jī)葉片斷裂后輪轂側(cè)斷口圖

圖2 引風(fēng)機(jī)葉片根部裂紋圖

3B引風(fēng)機(jī)葉片斷裂事件發(fā)生后，電廠將斷裂的葉片送至安徽電科院，委托進(jìn)行金屬分析。試驗(yàn)人員采用CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行橫向和縱向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，來(lái)樣屈服強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)定，抗拉強(qiáng)度高于進(jìn)口鋼板廠家的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，并且高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，延伸率低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。采用HBE-3 000A型布氏硬度計(jì)，在金相試樣表面進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表2。硬度試驗(yàn)結(jié)果顯示，來(lái)樣葉片的硬度高于生產(chǎn)廠家提供的二次調(diào)質(zhì)報(bào)告中的回火硬度（210～230HB）。對(duì)來(lái)樣進(jìn)行光譜檢驗(yàn)、沖擊試樣和金相檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果未見異常。

表1 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 布氏硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表HB

通常，引起風(fēng)機(jī)葉片斷裂的可能原因有：風(fēng)機(jī)喘振或失速導(dǎo)致葉片受到較大的動(dòng)應(yīng)力，破壞葉輪；葉輪母材質(zhì)量不合格；葉輪焊接、熱處理質(zhì)量不合格；風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)，葉輪受到持續(xù)的交變應(yīng)力引起葉輪疲勞損壞；風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速頻率與葉輪固有頻率成倍數(shù)關(guān)系，造成共振，破壞葉輪?，F(xiàn)進(jìn)行具體原因分析：

1）風(fēng)機(jī)喘振或失速引起葉輪破壞。軸流式風(fēng)機(jī)運(yùn)行中由于調(diào)節(jié)不當(dāng)，葉輪進(jìn)入到不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行，可能出現(xiàn)喘振或失速現(xiàn)象。此時(shí)葉輪經(jīng)過失速區(qū)將會(huì)受到一次激振力的作用，可使葉片產(chǎn)生共振，葉片的動(dòng)應(yīng)力增加，致使葉片斷裂。風(fēng)機(jī)喘振或失速主要表現(xiàn)為風(fēng)量、出口風(fēng)壓出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，劇裂振動(dòng)和異常噪聲。查看3B引風(fēng)機(jī)葉輪斷裂前的運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量、出口風(fēng)壓未出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，葉片發(fā)生斷裂后才出現(xiàn)軸系振動(dòng)激增，故可以排除風(fēng)機(jī)葉片斷裂系喘振或失速導(dǎo)致。

2）制造母材及焊接、熱處理質(zhì)量原因。從安徽電科院的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，試樣葉片抗拉強(qiáng)度和硬度高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限，延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這是因?yàn)樵撊~片在二次調(diào)質(zhì)過程中熱處理工藝不當(dāng)（回火溫度不夠或回火時(shí)間較短），導(dǎo)致回火不充分，殘余應(yīng)力較高。此種性能條件下的葉片在高疲勞環(huán)境下運(yùn)行，應(yīng)力最集中的葉片端部首先產(chǎn)生裂紋，繼而沿結(jié)構(gòu)中最薄弱的焊接熔合線擴(kuò)展，最終撕開斷裂。

3）葉輪受到持續(xù)的交變應(yīng)力引起疲勞損壞。由于風(fēng)機(jī)利用汽輪機(jī)進(jìn)氣量變化來(lái)改變轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)，在機(jī)組負(fù)荷上升或下降時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為適應(yīng)負(fù)荷調(diào)整需要而發(fā)生改變，在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)出現(xiàn)持續(xù)波動(dòng)現(xiàn)象。這種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，使葉片受力不斷改變，加速和減速時(shí)會(huì)受到方向相反的力，這個(gè)力叫做交變應(yīng)力，持續(xù)不斷的交變應(yīng)力，會(huì)使葉片造成疲勞損壞。而葉片的進(jìn)風(fēng)口根部所受的交變應(yīng)力最大，葉片根部會(huì)最先產(chǎn)生疲勞源。通過大量DCS數(shù)據(jù)查看，印證了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和葉輪進(jìn)出口壓力頻繁波動(dòng)現(xiàn)象。數(shù)據(jù)查看也發(fā)現(xiàn)，若僅因?yàn)樨?fù)荷變動(dòng)而調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)頻率比較小。

4）轉(zhuǎn)速頻率與葉輪固有頻率造成共振引起破壞葉輪。風(fēng)機(jī)葉片本身具有一定的固有振動(dòng)頻率，引起共振的條件是當(dāng)外力的脈沖頻率和物體的固有振動(dòng)頻率相重合或成倍數(shù)時(shí)。當(dāng)風(fēng)機(jī)的葉片產(chǎn)生共振時(shí)，它的后果是葉片由于金屬疲勞而斷裂。通過現(xiàn)場(chǎng)搜集的大量DCS數(shù)據(jù)來(lái)看，風(fēng)機(jī)振動(dòng)較小，但是某轉(zhuǎn)速區(qū)段風(fēng)機(jī)振動(dòng)值有一定幅度的波動(dòng)，應(yīng)該是調(diào)速時(shí)沖擊引起的。根據(jù)制造廠提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)葉片的靜止?fàn)顟B(tài)下固有頻率為144Hz，動(dòng)態(tài)下固有頻率為147Hz，風(fēng)機(jī)的第一臨界轉(zhuǎn)速為1 290r/min，據(jù)此推斷，在0～990r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，理論計(jì)算上葉片是可靠的，但由于實(shí)際安裝情況變化，風(fēng)機(jī)的頻率會(huì)發(fā)生變化，故不能排除葉片共振產(chǎn)生的可能性。

綜合上述，造成引風(fēng)機(jī)葉片破壞的主要原因是運(yùn)行中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，產(chǎn)生持續(xù)不斷的交變應(yīng)力，從而造成葉輪疲勞損壞；而葉輪在制造過程中熱處理工藝不當(dāng)，殘余應(yīng)力較高，也是造成引風(fēng)機(jī)葉片破壞的重要原因。

2 處理措施

鑒于3B引風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生斷裂和大部扭曲變形，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，將轉(zhuǎn)子組整體運(yùn)至制造廠更換新葉輪，出廠前完成動(dòng)平衡試驗(yàn)。對(duì)于3A引風(fēng)機(jī)，因制造廠已無(wú)同型葉輪，新葉輪制造周期較長(zhǎng)，故對(duì)舊葉輪采用現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)方案。因3A引風(fēng)機(jī)葉輪裂紋非常嚴(yán)重，在裂紋的兩端頭鉆Φ8mm止裂孔，再用磨光機(jī)打磨裂紋部位，將裂紋清除干凈，著色探傷檢查無(wú)裂紋，施焊前嚴(yán)格執(zhí)行制造廠提供的修復(fù)工藝，采用直流反接法進(jìn)行補(bǔ)焊，焊接時(shí)控制好層間溫度和電流，同時(shí)按工藝要求做好焊前預(yù)熱、焊后熱處理工作。待所有葉片裂紋處理完24小時(shí)后，再次對(duì)葉片進(jìn)行全面探傷檢查。風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下試轉(zhuǎn)1小時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，均在規(guī)定范圍內(nèi)。試轉(zhuǎn)合格后，重新對(duì)該葉輪葉片進(jìn)行磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋。由于3A引風(fēng)機(jī)葉輪在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，不能保證長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行，待新加工的葉輪到廠后還須重新進(jìn)行更換。

為了提高引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性，防止類似事件重復(fù)發(fā)生，電廠同時(shí)還制定了以下防范措施：

1）加強(qiáng)對(duì)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，優(yōu)化運(yùn)行調(diào)節(jié)手段。通過分析DCS歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，3、4號(hào)機(jī)組各臺(tái)汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在5 400～5 500r/min（對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700～715r/min）范圍內(nèi)時(shí)，引風(fēng)機(jī)的振動(dòng)值出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象，振幅達(dá)到4.4～4.5mm/s，接近風(fēng)機(jī)的振動(dòng)報(bào)警值4.6mm/s。根據(jù)這一現(xiàn)象，電廠規(guī)定今后盡量避免引風(fēng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，如因機(jī)組負(fù)荷須在該范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)撤出自動(dòng)，提高汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速至6 300r/min（對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為818r/min），通過手動(dòng)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)靜葉開度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)。

2）通過DCS歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定投入爐膛負(fù)壓自動(dòng)時(shí)，引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)值達(dá)到200～400r/min（對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)值為26～52r/min），葉輪受到持續(xù)的交變應(yīng)力會(huì)引起疲勞損壞。電廠后續(xù)應(yīng)研究制定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與爐膛負(fù)壓控制之間的邏輯關(guān)系，優(yōu)化爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的邏輯，可設(shè)定適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)，避免爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)自動(dòng)振蕩引起風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，從而保證風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行。

3）考慮到該工程4號(hào)機(jī)組引風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀況與3號(hào)機(jī)組相同，電廠需盡快安排對(duì)4號(hào)機(jī)組引風(fēng)機(jī)進(jìn)行單側(cè)隔離停運(yùn)檢查，如發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)做好備用葉輪采購(gòu)工作。

3 結(jié)論

近年來(lái)，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)或變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸流式引風(fēng)機(jī)在新建大型火力發(fā)電廠得到一定的推廣使用，并帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，其可靠運(yùn)行對(duì)電廠穩(wěn)發(fā)滿發(fā)至關(guān)重要。我國(guó)電站風(fēng)機(jī)的可靠性，與先進(jìn)國(guó)家的差距也正在縮小。從這起引風(fēng)機(jī)葉片斷裂和發(fā)生裂紋的事件中，反映出對(duì)大型風(fēng)機(jī)制造質(zhì)量和運(yùn)行優(yōu)化控制要求的重要性?？紤]到高轉(zhuǎn)速下對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)葉片材料和焊接強(qiáng)度提出了更高的要求，建議在滿足風(fēng)機(jī)風(fēng)量、全壓升等性能參數(shù)要求的前提下，盡可能選用較低轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。

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介紹了某電廠660MW超超臨界發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)運(yùn)行中發(fā)生葉片斷裂事件，并從風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、工作機(jī)理和運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，分析了造成葉片斷裂的幾種可能原因，提出了有效的處理方法?！鲫P(guān)鍵詞：汽動(dòng)；軸流式引風(fēng)機(jī)；葉片；斷裂

Analysis of the Blade Fracture of Steam-Driven Induced-Draft Fan for 660MW Unit

Zhang Lvhua/Zhejiang Zheneng Electric Power Co.,Ltd.
Zhu Chaoyang,Liu Chuanhuai/Huaizhe Coal Power Co.,Ltd,Fengtai Power Generation Branch

steam driven;axial flow fan; blade;fracture

TH453；TK05

A

1006-8155（2015）01-0089-04

10.16492/j.fjjs.2015.01.101

2014-07-01浙江杭州310007

Abstract：This paper introduces the blade fracture occured in the operation of static adjustable axial flow fan driven by a 660MW ultra supercritical steam turbineunit.Based on the structure and principle,working mechanism and operating conditions of the induced-draft fan,it analyses several possible causes of blade fracture,and presents effetive treatment methods,which can provide good reference for the same type of unit.