河南平頂山火力發(fā)電企業(yè)軸流風(fēng)機(jī)葉片斷裂分析

李 凱，高維峰，戚曉勇

（1.國家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心，河南 鄭州 450001；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；3.國家電網(wǎng)河南省電力公司通信公司，河南 鄭州 450003）

河南平頂山火力發(fā)電企業(yè)軸流風(fēng)機(jī)葉片斷裂分析

李 凱1，高維峰2，戚曉勇3

（1.國家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心，河南 鄭州 450001；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；3.國家電網(wǎng)河南省電力公司通信公司，河南 鄭州 450003）

國家電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司發(fā)生軸流風(fēng)機(jī)葉片斷裂故障，對故障前的監(jiān)控參數(shù)、風(fēng)道和葉片進(jìn)行了調(diào)查，分析了造成該故障的可能原因是：設(shè)計存在缺陷，葉頂區(qū)域防磨板和鑄鋁葉身之間存在較大間隙，防磨板彎制使葉頂附近葉身較薄區(qū)域內(nèi)應(yīng)力較高，葉片斷面存在較大的鑄造缺陷等。

河南；平頂山火力發(fā)電分公司；軸流風(fēng)機(jī)；葉片斷裂；運(yùn)行參數(shù)；故障原因

0 引言

風(fēng)機(jī)穩(wěn)定是火電廠生產(chǎn)穩(wěn)定的必要要件。目前，我國火力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)發(fā)展到1 000MW以上，其鍋爐配套送風(fēng)機(jī)多采用動葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)在應(yīng)用過程中，有時會出現(xiàn)機(jī)組非正常停運(yùn)、機(jī)組負(fù)荷降低約50%等故障，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。葉片斷裂是動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)比較嚴(yán)重的一種故障，一旦出現(xiàn)，由于備品部件準(zhǔn)備和修復(fù)時間很長，會給電廠造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。筆者結(jié)合國家電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司軸流風(fēng)機(jī)葉片斷裂故障，查找了出現(xiàn)該問題的主要原因，為提前發(fā)現(xiàn)類似問題，并采取相應(yīng)處理措施提供參考。

1 機(jī)組概況和故障現(xiàn)象

1.1 機(jī)組概況

國家電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司鍋爐型號為DG3000／26.15—Ⅱ1，鍋爐出口蒸汽參數(shù)為26.15MPa（g）／605／603℃，對應(yīng)發(fā)電機(jī)功率為1 000MW。該電廠鍋爐配套送風(fēng)機(jī)為豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，型號為ANN-3120／1600N，轉(zhuǎn)速為990r／min，額定流量為401.7m3／s，葉輪直徑為3 120mm，動葉片材質(zhì)為鑄鋁合金，數(shù)量為26片。在動葉片進(jìn)氣側(cè)兩邊貼附有寬50mm的不銹鋼防磨板，動葉片調(diào)節(jié)范圍為15°～55°。該送風(fēng)機(jī)投運(yùn)于2010年，至故障時累計運(yùn)行約36 000 h。風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 ANN-3120／1 600 N動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)T ab.1 Operation parameters of ANN-3120／1 600 N axial flow fan with ad justable blades

1.2 故障現(xiàn)象

2015年 9月 19日 01：36：41，1＃機(jī)組負(fù)荷588.6MW，C、F、A、E4臺磨煤機(jī)運(yùn)行；1A送風(fēng)機(jī)動葉開度為33.1%，電流為57.8A，出口風(fēng)壓為1.276kPa，X、Y向軸承振動分別為0.675mm／s、0.928mm／s；1B送風(fēng)機(jī)動葉開度為33.1%，電流為60.2 A，出口風(fēng)壓為1.325 kPa，X、Y向軸承振動分別為1.584 mm／s、0.005mm／s，運(yùn)行正常。01：36：42，1A送風(fēng)機(jī)動葉開度為32.8%，電流為57.8 A，出口風(fēng)壓為1.276 kPa，X、Y向軸承振動分別為 10.17 mm／s、7.686 mm／s。01：36：43，1A送風(fēng)機(jī)動葉開度為32.9%，電流為67.2 A，X、Y向軸承振動分別為20 mm／s、20mm／s（已超量程）。01：36：44，1A送風(fēng)機(jī)動葉開度為32.9%，電流為50.1 A。01：36：45，1A送風(fēng)機(jī)動葉開度為32.9%，電流為48.6 A，爐膛負(fù)壓由-105 Pa降至-1 070 Pa。01：36：55，爐膛火焰喪失。01：37：01，MFT動作。01：40：54，1A送風(fēng)機(jī)動葉調(diào)整無效，就地檢查發(fā)現(xiàn)，1A送風(fēng)機(jī)液壓油站漏油，動葉片斷裂。斷裂葉片照片如圖1所示。

圖1 1A送風(fēng)機(jī)動葉片斷裂圖Fig.1 Fracture of 1A air blowers moving blades

2 故障調(diào)查分析

2.1 運(yùn)行參數(shù)調(diào)查

2.1.1 事發(fā)前運(yùn)行參數(shù)

事發(fā)前，1＃機(jī)組負(fù)荷588.6MW，A、B送風(fēng)機(jī)出力均衡，A送風(fēng)機(jī)動葉開度為33.1%，電流為57.8A，出口風(fēng)壓為 1.276 kPa，X、Y向軸承振動分別為0.675 mm／s、0.928 mm／s；B送風(fēng)機(jī)動葉開度為33.1%，電流為60.2 A，出口風(fēng)壓為1.325 kPa，X、Y向軸承振動分別為1.584mm／s、0.005mm／s。A送風(fēng)機(jī)的各軸承溫度在48.9～57.3℃之間，電機(jī)軸承溫度分別為39.8℃、36.0℃，電機(jī)線圈各點(diǎn)溫度在45.6～46.6℃之間。

隨著1＃機(jī)組負(fù)荷變化，A送風(fēng)機(jī)動葉調(diào)整比較平緩。9月18日23：34，機(jī)組負(fù)荷737.9 MW，A送風(fēng)機(jī)動葉開度為42.1%，電流為68.7 A，隨后負(fù)荷緩慢下降。至9月19日01：10：00，機(jī)組負(fù)荷降至588.6 MW左右，A送風(fēng)機(jī)動葉開度為30.2%，電流為57.8 A。9月19日01：25～01：30，A送風(fēng)機(jī)動葉開度從30.2%緩慢調(diào)整至32.8%，送風(fēng)機(jī)電流、軸承溫度、振動等參數(shù)比較穩(wěn)定，無喘振報警信號。

2.1.2 歷史運(yùn)行參數(shù)

1＃機(jī)組2015年4至6月進(jìn)行了小修，6月16日啟動。6月26日，1＃機(jī)組587.8MW負(fù)荷時，A送風(fēng)機(jī)動葉開度為27.4%，電流為56.3 A，出口風(fēng)壓為0.966 kPa；B送風(fēng)機(jī)動葉開度為27.4%，電流為58.7 A，出口風(fēng)壓為0.991 kPa。6月28日，1＃機(jī)組758.2 MW負(fù)荷時，A送風(fēng)機(jī)動葉開度為38.4%，電流為64.1 A，出口風(fēng)壓為1.586 kPa；B送風(fēng)機(jī)動葉開度為38.4%，電流為66.1 A，出口風(fēng)壓為1.613 kPa，兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行工況穩(wěn)定［1］。

機(jī)組啟動初期，送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓比近期低。這是因為，空預(yù)器在停機(jī)期間進(jìn)行了清洗，阻力低，隨著運(yùn)行時間增加，會逐漸上升。

2.1.3 歷史運(yùn)行參數(shù)與事發(fā)前運(yùn)行參數(shù)比較

查歷史記錄和事發(fā)前的記錄，A送風(fēng)機(jī)X、Y向軸承振動值在正常范圍（2.2mm／s以內(nèi)），均未發(fā)現(xiàn)喘振報警信號。9月18日，1＃機(jī)組負(fù)荷769.7MW時，A送風(fēng)機(jī)動葉開度為46.3%，電流為73.4 A，出口風(fēng)壓為2.069 kPa，X、Y向軸承振動分別為1.140 mm／s、1.007mm／s；B送風(fēng)機(jī)動葉開度為46.2%，電流為73.7 A，出口風(fēng)壓為2.077 kPa，X、Y向軸承振動分別為1.528mm／s、0.008mm／s。機(jī)組993.9MW（基本為額定負(fù)荷）負(fù)荷時，A送風(fēng)機(jī)動葉開度為56.2%，電流為92.0 A，出口風(fēng)壓為2.794 kPa，X、Y向軸承振動分別為2.024mm／s、1.316mm／s；B送風(fēng)機(jī)動葉開度為56.0%，電流為91.9 A，出口風(fēng)壓為2.864 kPa，X、Y向軸承振動分別為 1.595 mm／s、0.003mm／s。

結(jié)合機(jī)組588.6MW負(fù)荷下運(yùn)行情況以及2011年A送風(fēng)機(jī)特性試驗曲線（如圖2所示）可知［2］，A送風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線與風(fēng)機(jī)理論失速線距離較遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)工作于安全區(qū)域。

圖2 2011年A送風(fēng)機(jī)特性試驗曲線Fig.2 Performance test curve of A air blowers in 2011

綜上所述，從機(jī)組檢修后風(fēng)機(jī)啟動到事發(fā)前，A送風(fēng)機(jī)軸振、溫度、電流、風(fēng)壓等運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，無喘振等異?，F(xiàn)象。雖然空預(yù)器阻力逐漸增加，但A送風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線與風(fēng)機(jī)理論失速線距離較遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)工作于安全區(qū)域。

2.2 風(fēng)道、葉片調(diào)查

（1）1A送風(fēng)機(jī)風(fēng)道入口防護(hù)罩完好，無明顯破損現(xiàn)象；入口風(fēng)道內(nèi)部支撐件完整，沒有缺失、撞擊變形、新?lián)Q件和明顯焊接修復(fù)現(xiàn)象。據(jù)電廠介紹，打開風(fēng)機(jī)后，除動葉片碎塊外，沒有發(fā)現(xiàn)其他異物。

圖3 2＃機(jī)組同類型風(fēng)機(jī)葉片目測和探傷檢查結(jié)果Fig.3 Visual inspection and flaw detection results of 2＃fan blade of same type

（2）對現(xiàn)場2＃機(jī)組同類型的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行目測檢查和滲透探傷檢查發(fā)現(xiàn)［3］，葉片上有裂紋（如圖3所示）。

（3）2＃機(jī)組同類型風(fēng)機(jī)動葉片防磨板與鑄鋁合金葉片基體貼合程度有較大差異，部分葉片貼合不夠緊密，如圖4所示。

（4）2＃機(jī)組同類型風(fēng)機(jī)動葉片進(jìn)氣側(cè)拐角處存在塊狀缺陷，如圖5所示。

3 原因分析

3.1 可以排除的因素

（1）異物進(jìn)入造成葉片損傷。1A送風(fēng)機(jī)風(fēng)道入口防護(hù)罩完好，入口風(fēng)道內(nèi)部支撐件完整，沒有缺失、撞擊變形、新?lián)Q和修復(fù)現(xiàn)象。打開風(fēng)機(jī)后，除動葉片碎塊外，沒有發(fā)現(xiàn)其他異物。因此，可以排除異物進(jìn)入造成葉片損傷。

（2）加工、安裝誤差或葉柄積灰造成葉片損傷。動葉片加工、安裝誤差或葉柄積灰造成卡澀，將導(dǎo)致葉片安裝角不一致，進(jìn)而某個和某些葉片發(fā)生失速或者脫流［4］。本次檢查中，輪轂上1～3號葉柄轉(zhuǎn)軸需用力才能轉(zhuǎn)動，存在卡澀導(dǎo)致葉片受力狀態(tài)惡化發(fā)生斷葉的可能。但拆卸后發(fā)現(xiàn)，其密封環(huán)、轉(zhuǎn)軸、軸承滾珠等部件完好，沒有部件損壞和可能造成卡澀的銹蝕、污垢等現(xiàn)象。同時，運(yùn)行期間，若轉(zhuǎn)軸卡澀，在動葉角度調(diào)整時，風(fēng)機(jī)軸振數(shù)值會有所波動變化。但是，風(fēng)機(jī)投運(yùn)以來，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)一直未見明顯波動、超限等異?，F(xiàn)象。因此，個別轉(zhuǎn)軸卡澀應(yīng)該是事發(fā)期間斷葉強(qiáng)烈碰磨撞擊造成的。

（3）葉柄螺栓松動造成葉片損傷。安裝風(fēng)機(jī)葉片后，應(yīng)擰緊螺栓，并使用專用力矩扳手［5］。若個別葉柄固定螺栓緊力不足，運(yùn)行中松動脫落，可能造成斷葉?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，葉柄固定螺栓數(shù)量沒有短缺現(xiàn)象，螺栓多為強(qiáng)力作用下的過載斷裂。同時，葉柄螺栓松動引發(fā)葉片脫落或斷裂應(yīng)是一個緩慢、連續(xù)、逐漸加速的過程，斷葉前期，軸振等運(yùn)行參數(shù)必然會有所反映。但是，本次斷葉前，各運(yùn)行參數(shù)一直未見異常。因此，可以排除由此引發(fā)斷葉的可能性。

3.2 可能的因素

（1）設(shè)計或制造加工缺陷。兩臺鍋爐累計運(yùn)行時間均為36 000 h左右，4臺送風(fēng)機(jī)動葉同時發(fā)現(xiàn)存在大量裂紋，說明該批葉片已經(jīng)達(dá)到或超過了其實(shí)際的安全使用壽命。設(shè)計使用壽命低于50 000 h，說明其設(shè)計或制造加工存在缺陷。

（2）防磨板與葉身貼合不好。防磨板成型不好，或固定螺釘松動，或葉片尺寸偏差等原因造成葉片葉頂區(qū)域防磨板和鑄鋁葉身貼合不好，存在較大間隙，從而惡化該區(qū)域的受力狀況，改變?nèi)~頂振動特性和應(yīng)力分布。這是葉頂附近防磨板裂紋的一個促進(jìn)因素。

（3）防磨板彎制。防磨板彎制后，可能存在較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致在葉頂附近葉身較薄區(qū)域內(nèi)應(yīng)力較高。于是，經(jīng)過一定運(yùn)行周期后，在葉頂區(qū)域防磨板容易產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋，在進(jìn)汽側(cè)拐角處防磨板容易產(chǎn)生縱向裂紋。

（4）在葉片工作面防磨板螺孔處應(yīng)力較大。在葉片工作面防磨板螺孔處，更易出現(xiàn)橫向裂紋，尤其在距葉根第4、5螺孔處。如，1A送風(fēng)機(jī)的17＃斷葉（第4個螺孔）、40＃斷葉 （第5個螺孔）；2B送風(fēng)機(jī)的D03葉片（第5個螺孔）、D04和D26葉片（第4個螺孔）等。這表明，送風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，葉片在該區(qū)域的應(yīng)力水平較高。

（5）防磨板的安裝。防磨板雖然有較好的防磨效果，但由于其與鑄鋁制造的葉身基體在材質(zhì)和性能等方面的巨大差異，加裝后，可能會對葉片的振動特性和應(yīng)力分布有所改變。同時，防磨板對葉片進(jìn)氣側(cè)還有一定的整體加固的作用。但是，當(dāng)防磨板在螺孔處發(fā)生橫向開裂后，防磨板的整體包裹將被分離開，其裂紋處鑄鋁葉身的應(yīng)力狀態(tài)將會更加惡化。

（6）葉片加工缺陷。疲勞裂紋最初往往產(chǎn)生在有鑄造缺陷葉片的根部［6］。雖然大多數(shù)葉片斷面色澤新鮮，但17＃和40＃等斷葉斷面色澤灰暗，存在面積較大的鑄造缺陷，將極大地降低了葉片的整體性能和抗斷裂強(qiáng)度，這無疑是葉片斷裂的重大誘發(fā)因素。4臺送風(fēng)機(jī)動葉均發(fā)現(xiàn)大量裂紋，但只有1A送風(fēng)機(jī)斷葉，就可能與葉片自身存在的鑄造缺陷的大小和分布位置有關(guān)。

圖4 2＃機(jī)組同類型風(fēng)機(jī)葉片基體與防磨板貼合度檢查結(jié)果Fig.4 Compactness of substrate and the wear plate of 2＃fan blade of same type

圖5 2＃機(jī)組同類型風(fēng)機(jī)動葉片進(jìn)氣側(cè)缺陷檢查結(jié)果Fig.5 Air intake side defect results of 2＃fan blade of same type

4 結(jié)語

斷葉片發(fā)生前，1A送風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，軸振、電流、風(fēng)壓、溫度等運(yùn)行參數(shù)值均在正常范圍內(nèi)。因此，該事故屬于突發(fā)性事件。造成斷葉的主要原因是，1A送風(fēng)機(jī)動葉片特定位置存在大面積的鑄造缺陷，而4臺送風(fēng)機(jī)葉片普遍裂紋則表明其設(shè)計或制造加工存在某些質(zhì)量問題。因此，建議：（1）督促風(fēng)機(jī)制造廠家提高葉片加工工藝，減少鑄造缺陷，并展開相關(guān)預(yù)防措施研究工作。（2）開展風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控保護(hù)參數(shù)或邏輯等調(diào)整的可行性研究工作，以便出現(xiàn)異常時盡快停運(yùn)，避免事態(tài)擴(kuò)大。（3）機(jī)組臨停和檢修時，要盡量安排對風(fēng)機(jī)葉片、螺栓等部位進(jìn)行檢查，對葉片定期進(jìn)行無損探傷檢驗，提前發(fā)現(xiàn)問題。（4）存在個別斷葉碎片進(jìn)入空預(yù)器的可能，建議加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控和檢修期間的檢查清理工作。

［1]邢綱，何川，梁紅強(qiáng)，等.電廠軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性研究［J］.流體機(jī)械，2009，37（2）：46-50.

［2]何川，郭立君.泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京：中國電力出版社，2008：256-260.

［3]金信鴻.滲透檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：103-120.

［4]葉學(xué)民，李新穎，李春曦.第一級葉輪單動葉安裝角異常對動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)性能的影響［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2014（14）：2 297-2 306.

［5]豪頓華工程有限公司.風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)說明書［R］.威海：豪頓華工程有限公司，2009.

［6]張磊，郎進(jìn)花，梁守方，等.電站動葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)葉輪動力特性研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2014（24）：4 118-4 128.

[責(zé)任編輯 胡修池]

Analysis on Axial Flow Fan Blade Fracture of Pingdingshan Thermal Power Enterprise in Henan

L I Kai1，G AO Wei-feng2，Q I Xiao-yong3
（1.National Electric Power Investment Group Henan Electric Power Co.，Ltd.Technical Information Center，Zhengzhou 450001，Henan，China；2.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China；3.National Power Grid Henan Electric Power Corporation Communications Company，Zhengzhou 450003，Henan，China）

In view of the axial flow fan blade fracture fault occurred in Pingdingshan Power Generation Branch of National Electric Power Investment Group Henan Electric Power Co.，Ltd.，it investigates the monitoring parameters，air flue and leaf before the fault and analyzes the possible causes are as follows：the design flaws，the big gap between the blade-tip region wear plate and cast aluminum blade body，the higher internal stress of wear plate near the blade-tip thinner region，the major casting defects of blade section，etc.

Henan；Pingdingshan Thermal Power Generation Branch；axial flow fan；blade fracture；operating parameter；fault cause

TK831.2

A

10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.012

2016-07-20

李 凱（1976-），男，河南開封人，工程師，從事電廠熱能動力和環(huán)保方面的生產(chǎn)工作。