靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析及對(duì)策

李永樂，駱貴兵，楊 輝

（1.北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司包頭第三熱電廠，內(nèi)蒙古 包頭 014060；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、投資和維護(hù)費(fèi)用低、失速區(qū)寬、對(duì)煙氣含塵量適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在燃煤電站鍋爐中得到普遍應(yīng)用。由于與動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)比，靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較低[1-4]，為降低發(fā)電機(jī)組廠用電率，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)可采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式或變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

電站風(fēng)機(jī)作為燃煤鍋爐重要的輔機(jī)設(shè)備，其運(yùn)行可靠性對(duì)于發(fā)電機(jī)組至關(guān)重要。近年來，因風(fēng)機(jī)葉片斷裂造成風(fēng)機(jī)停運(yùn)機(jī)組RB動(dòng)作甚至停運(yùn)的事件時(shí)有發(fā)生[5-14]，且多集中為動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，葉片斷裂原因包括葉片材質(zhì)鑄造缺陷、喘振等。靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)較少發(fā)生葉片斷裂故障。本文通過對(duì)某600 MW機(jī)組采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析，提出汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)維護(hù)及運(yùn)行重點(diǎn)，為其他采用同類型引風(fēng)機(jī)的電站提供參考。

1 引風(fēng)機(jī)設(shè)備概況

某電廠600 MW機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的超臨界、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，機(jī)組于2017年1月投產(chǎn)發(fā)電。鍋爐配置2臺(tái)某風(fēng)機(jī)制造廠家生產(chǎn)的AN31e6/KSE型靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速運(yùn)行。為避免風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下工作頻率與葉輪固有頻率重合而出現(xiàn)共振破壞的問題，風(fēng)機(jī)制造廠在靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)每個(gè)葉片的中部邊緣開設(shè)凹槽，凹槽內(nèi)放置調(diào)頻環(huán)，以增加葉片的固有頻率。調(diào)頻環(huán)由圓鋼彎曲制成，與葉片組通過焊接固定，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)調(diào)頻環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of frequency-modulation hoop of the static blade adjustable axial flow induced draft fan

表1 引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The design parameters of induced draft fan

2 引風(fēng)機(jī)葉片斷裂事件經(jīng)過

2018年12月1日13:33:00，1號(hào)機(jī)組1B引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)軸承振動(dòng)大保護(hù)動(dòng)作，汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)跳閘。揭開葉輪上蓋檢查發(fā)現(xiàn)，1B引風(fēng)機(jī)葉輪中一葉片發(fā)生斷裂（圖2），其余葉片端部存在不同程度的扭曲變形（圖3）。斷口裂源位于葉片進(jìn)氣側(cè)調(diào)頻環(huán)與葉片焊接處，與葉根間距離約為葉片長度的1/3，葉片中間段斷口存在撕裂臺(tái)階，葉片排氣側(cè)斷口較粗糙。

圖2 1B引風(fēng)機(jī)葉輪葉片斷口照片F(xiàn)ig.2 The fracture surface features of blade of induced draft fan 1B

圖3 1B引風(fēng)機(jī)葉片端部扭曲變形照片F(xiàn)ig.3 The blade twist deformation of induced draft fan 1B

為了解風(fēng)機(jī)葉片斷裂前風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，調(diào)取1B引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端X、Y方向振速、軸承溫度、小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，12月1日1B引風(fēng)機(jī)葉片斷裂前X、Y方向振速變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可見：12月1日12:56:11開始，1B引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端X、Y方向振速快速增大；13:00:26驅(qū)動(dòng)端X、Y方向振速分別為4.0、6.3 mm/s；之后振速大幅度波動(dòng)，13:32:19驅(qū)動(dòng)端X、Y方向振速分別達(dá)到10.4、12.6 mm/s；13:33:29驅(qū)動(dòng)端X、Y方向振速已達(dá)到振速測(cè)量量程20 mm/s，之后風(fēng)機(jī)跳閘。由于風(fēng)機(jī)振動(dòng)保護(hù)未投入，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)達(dá)到跳閘值時(shí)，振動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作。

圖4 1B引風(fēng)機(jī)葉片斷裂前X、Y方向振速變化趨勢(shì)Fig.4 The change trend of vibration speed on X and Y direction before the blade broken (induced draft fan 1B)

3 引風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析

3.1 運(yùn)行參數(shù)分析

查看引風(fēng)機(jī)歷史運(yùn)行參數(shù)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間未發(fā)出“喘振”報(bào)警，未發(fā)生過失速或者喘振等問題，僅在400 MW左右負(fù)荷期間曾出現(xiàn)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)“搶風(fēng)”現(xiàn)象，但均得到有效處理。因此，可基本排除引風(fēng)機(jī)失速或喘振導(dǎo)致葉片承受較大動(dòng)應(yīng)力造成葉片斷裂的可能性。

3.2 葉片斷口分析

對(duì)引風(fēng)機(jī)葉片斷裂位置進(jìn)行宏觀觀察和金相分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，引風(fēng)機(jī)葉片斷裂面可見明顯的啟裂區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，葉片啟裂位置斷裂面形貌不規(guī)則，為變頻環(huán)焊接的焊縫處，斷裂面擴(kuò)展位置處存在典型的疲勞弧線，根據(jù)疲勞弧線走向判斷，擴(kuò)展區(qū)裂紋由左向右擴(kuò)展。在圖5中葉片斷裂的啟裂位置截取金相試樣，經(jīng)砂紙粗、細(xì)磨和拋光、浸蝕后，在ZEISS LSM 700 型TPRI激光共聚焦掃描顯微鏡下對(duì)顯微金相組織進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如圖6所示。

圖5 斷裂面各部位外觀形貌Fig.5 The fracture surface features of blade

圖6 啟裂區(qū)金相組織Fig.6 The metallographic structure of cracking area

由圖6可見：合金為貝氏體組織，啟裂位置有明顯塑性變形，這是由于焊縫處存在應(yīng)力集中導(dǎo)致；斷裂面附近存在穿晶二次裂紋，向晶粒內(nèi)部擴(kuò)展；葉片合金的金相照片未見明顯組織缺陷現(xiàn)象。由于曾在引風(fēng)機(jī)調(diào)頻環(huán)與葉片間焊縫處發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，本次引風(fēng)機(jī)葉片斷裂位置也位于調(diào)頻環(huán)與葉片間焊縫處，因此推斷葉片斷裂與焊縫缺陷有關(guān)。

4 引風(fēng)機(jī)葉片調(diào)頻環(huán)位置調(diào)整

考慮到調(diào)頻環(huán)與葉輪焊縫處多次出現(xiàn)缺陷，為杜絕此類問題，電廠與風(fēng)機(jī)制造廠商議，決定對(duì)1B引風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行整體更換，并對(duì)葉片進(jìn)氣側(cè)調(diào)頻環(huán)位置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

未加調(diào)頻環(huán)時(shí)葉片根部應(yīng)力集中嚴(yán)重，焊縫周圍的應(yīng)力應(yīng)變最大，為此在葉片中部焊接調(diào)頻環(huán)，使得葉片根部焊接部位的應(yīng)力集中得到改善，但在調(diào)頻環(huán)與葉片的焊接部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力，且調(diào)頻環(huán)自身的形變較大，達(dá)到0.584 mm。在長期運(yùn)行中，葉片振動(dòng)變形不同步的情況下，調(diào)頻環(huán)存在發(fā)生更大形變的可能，即經(jīng)受更高形變位移的考驗(yàn)。為此，考慮調(diào)頻環(huán)向葉片根部移動(dòng)，即在葉輪入口處加調(diào)頻環(huán)，調(diào)頻環(huán)直徑更小，與葉片焊接部位的振動(dòng)同步性更好。表2為不同位置調(diào)頻環(huán)對(duì)葉片位移和環(huán)形變的影響。從表2可知，雖然采用在葉輪入口處加調(diào)頻環(huán)的方案葉片變形量較原方案略大，但調(diào)頻環(huán)的變形量較原來的方案小，調(diào)頻環(huán)的安全性較高。另外，未加調(diào)頻環(huán)時(shí)，葉片本身未出現(xiàn)斷裂，說明葉片強(qiáng)度滿足要求。綜合比較在葉輪入口處加調(diào)頻環(huán)方案的穩(wěn)定性更高。

表2 不同位置調(diào)頻環(huán)對(duì)葉片位移和環(huán)形變的變化影響單位：mmTab.2 The influence of frequency modulation ring at different positions on blade displacement and ring variation

將原調(diào)頻環(huán)去除后進(jìn)行補(bǔ)焊打磨探傷修復(fù)處理，新調(diào)頻環(huán)加在葉片根部，并更改為口圈結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖7所示。

調(diào)頻環(huán)優(yōu)化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1）與原引風(fēng)機(jī)埋入葉片的調(diào)頻環(huán)相比，口圈結(jié)構(gòu)不需對(duì)葉片進(jìn)行二次切割打磨，避免了對(duì)高強(qiáng)鋼葉片的重復(fù)熱處理（切割、焊接、退火），葉片仍被約束為一個(gè)整體，阻尼增大，在受到激振時(shí)振幅較低，可有效保護(hù)葉片根部的焊縫；2）與原有調(diào)頻環(huán)位置相比，優(yōu)化后調(diào)頻環(huán)直徑較小，在受到激振時(shí)變形較小，所受的拉伸和擠壓變形較原調(diào)頻環(huán)葉輪小得多，也避免了自身疲勞斷裂，不僅保護(hù)了葉片根部的焊縫，又減小了調(diào)頻環(huán)所受到的拉伸和擠壓變形，且不破壞葉片，可有效降低葉片在激振力下產(chǎn)生顫振對(duì)葉片的危害。優(yōu)化后調(diào)頻環(huán)與葉片組焊時(shí)自然形成剖口，容易焊接，且不破壞葉片。

圖7 調(diào)頻環(huán)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)Fig.7 The optimized structure of the modulation ring

5 汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)葉片測(cè)頻及轉(zhuǎn)速控制

調(diào)頻環(huán)優(yōu)化后，改變了原葉片的固有頻率。為了排查目前1B引風(fēng)機(jī)調(diào)頻環(huán)改造后葉片的固有頻率與轉(zhuǎn)速頻率是否存在共振現(xiàn)象，對(duì)1B引風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行固有頻率測(cè)試。葉片測(cè)頻采用GE Bently公式生產(chǎn)的Scout140-EX型振動(dòng)測(cè)試儀。表3為1B引風(fēng)機(jī)各葉片靜頻率測(cè)試結(jié)果[15]。

表3 1B引風(fēng)機(jī)各階靜頻率 單位：HzTab.3 The static frequency of each stage ofinduced draft fan 1B

考慮到引風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，離心力、煙溫等因素均會(huì)對(duì)葉片固有頻率產(chǎn)生影響，需要對(duì)實(shí)際測(cè)得的靜頻率進(jìn)行換算，得到不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的動(dòng)頻率。查閱集控表盤參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)在330 MW時(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速分別約為615、727 r/min；660 MW時(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速分別約為927 r/min及1 080 r/min。因此，引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下限取600 r/min，上限取1 080 r/min，即可覆蓋所有工況下的引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

為了解引風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)頻率與激振頻率（轉(zhuǎn)速頻率及葉片通過頻率）的關(guān)系，圖8及圖9分別給出了1B引風(fēng)機(jī)前6階轉(zhuǎn)速頻率、前3階葉片通過頻率與葉片動(dòng)頻率之間的關(guān)系。圖8及圖9中實(shí)線均表示激振力頻率（即轉(zhuǎn)速頻率及葉片通過頻率），虛線表示葉片動(dòng)頻率，當(dāng)兩者過于靠近或者發(fā)生交叉時(shí)，表示激振力與固有頻率距離過近，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。從圖8及圖9可以看出：轉(zhuǎn)速頻率與葉片動(dòng)頻率沒有發(fā)生交叉或者過于靠近的現(xiàn)象；葉片通過頻率與葉片動(dòng)頻率之間發(fā)生了交叉，交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為共振轉(zhuǎn)速；剔除設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍以外的轉(zhuǎn)速后，得到1B引風(fēng)機(jī)葉片在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉片通過頻率發(fā)生共振的轉(zhuǎn)速約為752、1 098 r/min。

圖8 1B引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率與葉片動(dòng)頻率關(guān)系Fig.8 The relationship between speed frequency and blade dynamic frequency of induced draft fan 1B

圖9 1B引風(fēng)機(jī)葉片通過頻率與葉片動(dòng)頻率關(guān)系Fig.9 The relationship between blade passing frequency and blade dynamic frequency of induced draft fan 1B

為防止共振轉(zhuǎn)速下葉片結(jié)構(gòu)與葉片通過頻率發(fā)生共振，實(shí)際運(yùn)行中需要保證引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速與共振轉(zhuǎn)速保持一定的避開率，避開率越大，引風(fēng)機(jī)運(yùn)行越安全。不同共振轉(zhuǎn)速避開率下1B引風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)不建議運(yùn)行轉(zhuǎn)速見表4。

表4 1B引風(fēng)機(jī)在各共振轉(zhuǎn)速避開率下的不建議運(yùn)行轉(zhuǎn)速單位：r/minTab.4 The non-recommended operating speed of induced draft fan 1B

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定采用8%避開率，引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速盡可能避開在700~820 r/min（對(duì)應(yīng)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3 860~4 520 r/min）運(yùn)行。

防止共振的具體措施為：采取轉(zhuǎn)速和靜葉配合調(diào)節(jié)的方法避開共振區(qū)域，手動(dòng)調(diào)節(jié)靜葉時(shí)，操作過程一定要緩慢，觀察小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化及爐膛負(fù)壓，避免大幅度波動(dòng)。負(fù)荷在450 MW以上時(shí)，小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速基本大于4 520 r/min，不存在共振情況；負(fù)荷降到480 MW運(yùn)行期間，采取關(guān)小引風(fēng)機(jī)靜葉開度，提高引風(fēng)機(jī)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，保證轉(zhuǎn)速大于4 520 r/min；如果負(fù)荷在360 MW以下時(shí)，開大引風(fēng)機(jī)靜葉開度，讓轉(zhuǎn)速過渡到3 860 r/min以下。

6 結(jié) 論

1）某燃煤發(fā)電機(jī)組1B靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)葉片斷裂位置位于調(diào)頻環(huán)與葉片間焊縫處，故汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)增設(shè)調(diào)頻環(huán)后，檢修時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查調(diào)頻環(huán)與葉輪的焊縫，如發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

2）對(duì)葉輪進(jìn)氣側(cè)調(diào)頻環(huán)位置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，新調(diào)頻環(huán)焊接在葉片根部，并更改為口圈結(jié)構(gòu)。安裝新調(diào)頻環(huán)后，葉片仍被約束為一個(gè)整體，阻尼增大，在受到激振時(shí)振幅較低，可有效保護(hù)葉片根部的焊縫。與原有調(diào)頻環(huán)位置相比，新調(diào)頻環(huán)直徑較小，在受到激振時(shí)變形較小，所受的拉伸和擠壓變形較原調(diào)頻環(huán)葉輪小得多，可有效降低葉片在激振力下產(chǎn)生顫振對(duì)葉片的危害。

3）汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，其轉(zhuǎn)速也隨之變化，為防止在共振轉(zhuǎn)速下葉片結(jié)構(gòu)與葉片通過頻率發(fā)生共振，實(shí)際運(yùn)行中需要引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速與共振轉(zhuǎn)速保持一定避開率。