25 MW汽輪機轉(zhuǎn)子、隔板修復(fù)研究

楊增超，何陽陽，朱秦川，張韋瑋，林 佳

(1.廣州海恩能源技術(shù)有限公司，廣州 510000;2.德陽東汽電站機械制造有限公司，德陽 618000)

近年來，隨著國家節(jié)能減排政策的實施，眾多余熱利用發(fā)電機組投入運行。在汽輪機運行中，因制造或運行原因?qū)е聞屿o碰磨問題經(jīng)常發(fā)生[1]。事故發(fā)生后，根據(jù)機組損壞程度判定其是否修復(fù)或報廢，但損壞程度沒有嚴(yán)格的判定標(biāo)準(zhǔn)。同時，因汽輪機是高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機械，運行風(fēng)險較高，許多事故發(fā)生后部件即使可以修復(fù)，也都被判定為報廢。

本文介紹了25 MW汽輪機嚴(yán)重動靜碰磨的事故以及事故原因分析過程，探討了汽輪機損壞部件的修復(fù)措施，確定了缺級運行的處理方案，為今后同類型汽輪機的修復(fù)提供新的思路和經(jīng)驗。

1 機組介紹

某煤基清潔能源項目采用由DRESSER-RAND(德萊賽蘭)生產(chǎn)的型號為F30-SF-D-07-E-C的汽輪機作為動力車間的關(guān)鍵設(shè)備。汽輪機為余熱利用單軸單缸中壓抽汽式飽和蒸汽汽輪機，額定功率為21.9 MW，額定轉(zhuǎn)速為5 432 r/min，無回?zé)岢槠到y(tǒng)，縱向布置，采用直接空冷系統(tǒng)。該汽輪機相關(guān)技術(shù)參數(shù)及說明如表1所示。

表1 汽輪機技術(shù)參數(shù)及說明

2 事故簡介

2020年5月5日汽輪機1號、2號瓦處軸振異常升高，達(dá)到跳機值，導(dǎo)致汽輪機跳機。初步判斷認(rèn)為轉(zhuǎn)子可能碰磨損壞。汽缸冷卻后揭缸檢查，發(fā)現(xiàn)第2級動葉片全脫落，轉(zhuǎn)子與第2級隔板碰磨嚴(yán)重，其余地方也有不同程度損傷，具體情況如下：

1)第1級動葉鎖口葉片處圍帶有斷裂，拆下葉片發(fā)現(xiàn)鎖口葉片葉根斷裂(如圖1、圖2所示)；

圖1 第1級鎖口葉片處圍帶斷裂

圖2 第1級動葉鎖口葉片葉根斷裂

2)第2級動葉片全部損毀，且第2級輪盤葉根槽兩邊撕裂(如圖3所示)；

圖3 第2級輪盤

3)第2級隔板損壞，呈摩擦熔融狀態(tài)(如圖4所示)；

圖4 第2級隔板

4)第3至第7級動葉和輪盤上有多處碰磨損傷(第4級情況如圖5所示)；

圖5 第4級動葉片

5)調(diào)節(jié)閥噴嘴內(nèi)環(huán)焊縫龜裂(如圖6所示)；座缸抽汽閥噴嘴變形嚴(yán)重(如圖7所示)；

圖6 調(diào)節(jié)閥噴嘴

圖7 抽汽閥噴嘴

6)1號、2號軸瓦、推力瓦和軸頸上有嚴(yán)重劃傷痕跡(如圖8所示)。

圖8 支持軸承

因事故中損毀最嚴(yán)重的第2級動葉片全部脫落，第2級隔板損壞嚴(yán)重，按照以往的經(jīng)驗，該轉(zhuǎn)子和第2級隔板可判作報廢。但如果重新購買新轉(zhuǎn)子，供貨周期需要6～8個月，此期間工廠的余熱尾汽就白白浪費，會對企業(yè)造成重大損失。

該設(shè)備的使用單位與廣州海恩能源技術(shù)有限公司、德陽東汽電站機械制造有限公司汽輪機專家多次溝通后，決定先將損壞的轉(zhuǎn)子與隔板修復(fù)，進(jìn)行臨時運行，等待新轉(zhuǎn)子制造完成后更換新轉(zhuǎn)子。

3 事故原因分析

3.1 第1級動葉鎖口葉片葉根斷裂

第1級動葉鎖扣葉片和銷釘原材質(zhì)為FV-520B。葉片、銷釘?shù)幕瘜W(xué)成分要求及檢查結(jié)果如表2所示，通過理化分析，材料的化學(xué)成分、抗沖擊性能和硬度滿足要求。葉片的力學(xué)性能檢查結(jié)果如表3所示，通過金相檢查，并未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物含量過高等冶金缺陷。

表2 葉片、銷釘材質(zhì)的化學(xué)成分要求及檢查結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表3 葉片的力學(xué)性能檢查結(jié)果

通過對開裂葉片的斷口使用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹綌嗝嬗忻黠@的貝紋線，在裂紋源處有微裂紋。從擴展區(qū)的微觀形貌來看，該斷口的斷裂形式為高周疲勞斷裂[2]。第1級動葉鎖口葉片葉根處有3處裂紋源，且均起源于銷釘孔。裂紋源位置如圖10所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，3個裂紋源在銷釘孔中的位置存在明顯差異，其中2處裂紋即使同樣處于進(jìn)汽側(cè)靠葉片內(nèi)弧面，其在銷釘孔周向的位置也明顯不同。這說明葉片銷釘孔和銷釘?shù)慕佑|與正常設(shè)計狀態(tài)不同。同時，發(fā)現(xiàn)開裂葉片葉頂?shù)囊惶庛T釘頭也發(fā)生了斷裂，這可能會造成該葉片的振動特性發(fā)生變化。葉片之間、葉片銷釘孔和銷釘之間的接觸和正常情況也不一樣，如果銷釘和銷釘孔在局部位置接觸，其應(yīng)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常狀態(tài)下的應(yīng)力，容易在應(yīng)力集中位置，如2個端面處出現(xiàn)高周疲勞開裂。

(a)貝紋線

(a)裂紋源1位置

3.2 第2級動葉及隔板損毀

該機組在第2級后設(shè)有抽汽口，原設(shè)計抽汽壓力為1.0 MPa。實際運行時抽汽經(jīng)過抽汽逆止門、抽汽快關(guān)閥、抽汽蝶閥管道直接接入0.5 MPa的管網(wǎng)，這樣就導(dǎo)致第2級隔板后的實際運行壓力為0.5 MPa。該機組隔板結(jié)構(gòu)為內(nèi)外圍帶與靜葉片組焊結(jié)構(gòu)(如圖11所示)，第2級隔板固定靜葉片的圍帶僅在進(jìn)排汽側(cè)用寬度4 mm的角焊縫固定，隔板剛度不足以承受前后壓差所致的軸向力。這導(dǎo)致隔板向排汽端變形，進(jìn)而導(dǎo)致第2級隔板與轉(zhuǎn)子第2級葉輪碰磨，產(chǎn)生動靜摩擦。

圖11 第2級隔板原結(jié)構(gòu)剖面圖

3.3 調(diào)節(jié)閥噴嘴內(nèi)環(huán)焊縫龜裂

如圖6所示，調(diào)節(jié)閥噴嘴內(nèi)環(huán)焊縫整圈呈現(xiàn)龜裂狀。焊縫是沿著拂配間隙開裂的，參考廣州海恩能源技術(shù)有限公司(海恩)汽輪機設(shè)計經(jīng)驗，高調(diào)門噴嘴運行狀態(tài)下受熱時內(nèi)環(huán)膨脹量大于外環(huán)，機組反復(fù)啟機停機會導(dǎo)致噴嘴葉片拂配間隙反復(fù)張開閉合，這會使得焊縫沿著拂配間隙開裂。所以在選擇焊接材料時，焊材在具有優(yōu)良的焊后強度的同時還要具有優(yōu)良的焊區(qū)韌性、抗裂性及機械加工性。焊接后應(yīng)進(jìn)行熱處理，消除焊縫內(nèi)應(yīng)力。因為無法獲得此調(diào)門噴嘴的焊接記錄及熱處理報告，所以無法準(zhǔn)確判斷其開裂的直接原因。根據(jù)海恩多年的生產(chǎn)經(jīng)驗判斷，此缺陷形成的原因是焊后未做熱處理消應(yīng)力，在噴嘴葉片反復(fù)“張開、閉合”的過程中，內(nèi)應(yīng)力沿著拂配間隙釋放。

4 修復(fù)處理

4.1 葉輪葉根槽及葉片修復(fù)

該汽輪機轉(zhuǎn)子是無中心孔整鍛轉(zhuǎn)子，第2級葉輪葉根槽已經(jīng)全部撕裂，且轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速較高。為了縮短修復(fù)周期，降低運行風(fēng)險，廣州海恩能源技術(shù)有限公司、德陽東汽電站機械制造有限公司與業(yè)主溝通后確定缺級運行修復(fù)方案，即將撕裂的轉(zhuǎn)子第2級葉輪葉根槽車削清理干凈，并圓滑過渡。

針對轉(zhuǎn)子第3～7級動葉片上的缺陷，對于可補焊處，將孔洞和裂紋處打磨光滑，徹底去除裂紋后進(jìn)行補焊。待葉片補焊區(qū)域冷卻至室溫后，對其進(jìn)行打磨至圓滑。無法補焊處采取打磨方式圓滑過渡。

4.2 第2級隔板修復(fù)

確定缺級運行方案后，為了防止第2級后承受壓力增大，對第2級隔板采用加固的方式修復(fù)后復(fù)裝。加固方式采用在第2級隔板進(jìn)汽側(cè)焊裝16個加強筋板[3]，圍帶兩側(cè)、靜葉與圍帶固定處也采取加強焊。

4.3 調(diào)節(jié)閥噴嘴內(nèi)環(huán)焊縫修復(fù)

調(diào)節(jié)閥噴嘴內(nèi)環(huán)焊縫呈現(xiàn)龜裂狀態(tài)，焊縫裂紋較深，所以采取將原焊縫清理干凈，再重新焊接的方法修復(fù)。噴嘴葉片材質(zhì)為421馬氏體不銹鋼(BS970-416S21)，噴嘴體材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件(EN10FE430A)。為了滿足噴嘴焊縫在頻繁啟機和停機的工況下具有足夠的韌性和抗裂性，采用CH-NiCrMo-3焊絲進(jìn)行氬弧焊，焊后進(jìn)行錘擊消應(yīng)力。

4.4 修復(fù)流程

修復(fù)過程從以下3個方面同時展開：

1)對轉(zhuǎn)子各級進(jìn)行損傷評估，對轉(zhuǎn)子及葉輪進(jìn)行超聲波探傷，對葉片圍帶進(jìn)行滲透探傷，清理轉(zhuǎn)子，即除銹、煤油清洗，對各級葉片、圍帶進(jìn)行補焊修復(fù)，對葉輪迎汽面進(jìn)行補焊消缺，補焊后銑平面，更換第1級鎖口葉片，對第2級葉輪進(jìn)行車削加工，檢查轉(zhuǎn)子跳動情況，然后進(jìn)行低速動平衡試驗和高速動平衡試驗。

2)對第2級動葉片進(jìn)行斷裂分析、宏觀檢查、金相分析、化學(xué)成分分析、掃描電鏡檢查，進(jìn)行沖擊試驗、硬度檢測，最后生成分析報告。

3)用煤油清理其余各部件，對隔板、軸承進(jìn)行無損探傷，對第2級隔板加強補焊，加工中分面，對其余隔板進(jìn)行補焊消缺，加工中分面，對支持軸承重新澆巴，加工內(nèi)孔尺寸，對推力軸承瓦塊進(jìn)行補焊整形、測等高，對座缸抽汽閥噴嘴進(jìn)行校形，清除調(diào)節(jié)閥噴嘴原焊縫，重新焊接固定調(diào)節(jié)閥噴嘴，最后對所有焊后部件進(jìn)行無損探傷、清理和包裝。

5 高速動平衡

2020年6月13日，轉(zhuǎn)子完成車削加工及動葉片修復(fù)后，在海恩動平衡試驗臺成功完成了高速動平衡試驗。1號、2號軸承座在工作轉(zhuǎn)速5 432 r/min時振動速度均為0.81 mm/s。

6 修復(fù)效果

修復(fù)復(fù)裝后該機組采取缺級運行方式，因抽汽壓力與原設(shè)計值不符，所以復(fù)裝后不開抽汽運行。在沖轉(zhuǎn)帶負(fù)荷至8 MW后，采取逐漸加負(fù)荷(每次加1 MW，穩(wěn)定運行2 h，無異常再加負(fù)荷)的方式，逐漸加至15 MW。

運行數(shù)據(jù)如表4所示，修復(fù)后汽輪機各項參數(shù)均優(yōu)于預(yù)期目標(biāo)。通過修復(fù)方案的實施及時恢復(fù)了動力車間為廠區(qū)供電的任務(wù)，最大限度地減少了企業(yè)的損失。

表4 運行參數(shù)表

7 結(jié) 論

本文針對汽輪機動靜碰磨后轉(zhuǎn)子、隔板等部件嚴(yán)重?fù)p壞的問題，分析了事故損壞部件的情況，采用有效的修復(fù)措施，恢復(fù)了25 MW汽輪機的運行，運行結(jié)果顯示修復(fù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)本文的研究可以得出如下結(jié)論：

1)對損壞嚴(yán)重的第2級葉輪，可以采用缺級運行的修復(fù)措施，該措施具有降低修復(fù)后運行風(fēng)險的效果，并且方便快捷；

2)對損壞嚴(yán)重的第2級隔板、調(diào)節(jié)閥噴嘴，可以采取校形、補焊加固的修復(fù)措施，該措施具有恢復(fù)原結(jié)構(gòu)、加強結(jié)構(gòu)強度的效果；

3)對損壞的動葉片、軸承等部件，可以采取恢復(fù)原貌或消缺的修復(fù)措施，該措施具有修復(fù)成本低、運行可靠的優(yōu)勢。