軸流引風(fēng)機(jī)葉輪壓蓋螺栓斷裂分析

彭鵬， 李國(guó)慶

（1.安徽淮南平圩發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232089；2.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200086）

0 引言

鍋爐引風(fēng)機(jī)作為火力發(fā)電廠的重要輔機(jī)設(shè)備，其運(yùn)行性能直接影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，引風(fēng)機(jī)的單側(cè)故障停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組降出力運(yùn)行，更容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)事件[1]。因此引風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行是發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的保障，及時(shí)對(duì)其故障的診斷與處理較為重要。本文針對(duì)某電廠640 MW超臨界機(jī)組鍋爐引風(fēng)機(jī)葉輪壓蓋螺栓斷裂事故，從安裝結(jié)構(gòu)、振動(dòng)因素和金屬原因多角度進(jìn)行分析，為其他電廠出現(xiàn)類似問(wèn)題提供參考。

1 設(shè)備概況

某廠4號(hào)超臨界640 MW機(jī)組鍋爐YA46236-8Z型引風(fēng)機(jī)是由成都電力機(jī)械廠制造生產(chǎn)的軸流式、靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)，該靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)主要由進(jìn)汽室、集流器、動(dòng)葉、導(dǎo)葉、擴(kuò)壓管等部件構(gòu)成，葉輪布置在軸承箱前端，用葉輪壓蓋在軸向位置進(jìn)行定位，引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子之間由1根空心軸連接，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)分別由1個(gè)膜片式聯(lián)軸器與空心軸連接。電動(dòng)機(jī)由2個(gè)軸瓦支持軸承支撐，引風(fēng)機(jī)由1個(gè)支撐輪轂的滾柱軸承和2個(gè)平衡軸向推力的角接觸球軸承組成的軸承箱支撐，設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)

該引風(fēng)機(jī)因電動(dòng)機(jī)側(cè)軸向振動(dòng)過(guò)大，超過(guò)300 μm，電廠申請(qǐng)調(diào)停，對(duì)該引風(fēng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體檢查，解體過(guò)程中發(fā)現(xiàn)8根引風(fēng)機(jī)的葉輪壓蓋螺栓全部斷裂，且測(cè)得葉輪孔徑為250.10 mm，軸徑為249.90 mm，配合間隙過(guò)大（標(biāo)準(zhǔn)0～0.05 mm），軸承箱解體后檢查，軸承未見(jiàn)異常，部分?jǐn)嗔训穆菟ㄈ鐖D1所示。

圖1 葉輪壓蓋螺栓斷裂

2 安裝結(jié)構(gòu)

葉輪與主軸是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件中的主要部件，必須確保兩者軸向與徑向的固定，它們的牢固度既關(guān)系到風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，又與風(fēng)機(jī)檢修時(shí)拆卸是否方便有關(guān)[2-5]。葉輪與主軸的安裝聯(lián)接方式有多種，該型引風(fēng)機(jī)未采用常見(jiàn)的鍵連接方式，而是通過(guò)葉輪壓盤來(lái)固定葉輪，葉輪壓蓋與葉輪的安裝型式如圖2所示。

圖2 軸流引風(fēng)機(jī)壓蓋與葉輪連接圖

葉輪上的孔與主軸具有間隙配合關(guān)系，葉輪可以在不加熱的條件下套上主軸直至抵住軸套，葉輪壓盤在另一側(cè)壓住葉輪并通過(guò)8根8.8級(jí)的M24的高強(qiáng)度螺栓與軸頭連接，這樣葉輪就被壓盤和軸套夾住，完成了軸向固定。風(fēng)機(jī)葉輪與聯(lián)軸器用螺栓連接，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，在摩擦力的作用下，主軸、軸套和壓盤隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)。這種聯(lián)接方式下壓蓋螺栓承受較小的啟動(dòng)力矩，通常并不會(huì)因?yàn)槭芰^(guò)大而斷裂，從安裝結(jié)構(gòu)上分析，若壓蓋螺栓斷裂，原因主要有以下幾方面：1）螺栓安裝時(shí)緊固力過(guò)大，容易造成螺栓損傷或斷裂；2）螺栓安裝時(shí)緊固力不夠，或者長(zhǎng)周期運(yùn)行后螺栓發(fā)生松動(dòng)，葉輪與主軸發(fā)生相對(duì)位移, 葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中軸向竄動(dòng)且不斷撞擊葉輪壓蓋導(dǎo)致壓蓋螺栓斷裂；3）設(shè)備軸系振動(dòng)偏大，壓蓋螺栓在長(zhǎng)時(shí)間的高頻振動(dòng)作用下內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力造成金屬疲勞，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

3 振動(dòng)分析

該引風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，于2020年11月份進(jìn)行檢修，更換風(fēng)機(jī)軸承后，試運(yùn)行風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增大而增大，尤其電動(dòng)機(jī)側(cè)驅(qū)動(dòng)端水平振動(dòng)，在880 r/min轉(zhuǎn)速下高達(dá)近200 μm。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)均在水平方向振動(dòng)偏大，振動(dòng)分量以1倍頻分量為主，且1倍頻分量振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增加而增大。于是電廠決定進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)法在風(fēng)機(jī)葉片處加重，只能在聯(lián)軸器處加重，而空心軸靠近電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器處加重對(duì)降低電動(dòng)機(jī)振動(dòng)效果較好，但是對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)影響較小，又因?yàn)槁?lián)軸器處加重對(duì)電動(dòng)機(jī)和對(duì)風(fēng)機(jī)影響的角度不同，經(jīng)計(jì)算，無(wú)法同時(shí)降低電動(dòng)機(jī)側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)的振動(dòng)。于是最終決定以降低電動(dòng)機(jī)振動(dòng)為主，在空心軸靠近電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器側(cè)加重11 kg，有效降低電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平和軸向振動(dòng)。動(dòng)平衡后風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 動(dòng)平衡處理后風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)

該引風(fēng)機(jī)做完動(dòng)平衡后不久就隨機(jī)組啟動(dòng)帶負(fù)荷，因另一側(cè)引風(fēng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)共振的問(wèn)題，兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)均設(shè)置為800 r/min的轉(zhuǎn)速，用靜葉調(diào)節(jié)流量運(yùn)行。在運(yùn)行一個(gè)多月的時(shí)間后，該引風(fēng)機(jī)振動(dòng)出現(xiàn)變化，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值緩慢增加，整體振動(dòng)趨勢(shì)惡化，且振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)。電動(dòng)機(jī)兩端的軸向振動(dòng)變化較大，自由端軸向振動(dòng)由30 μm增加到最大330 μm，驅(qū)動(dòng)端軸向振動(dòng)由68 μm增加到最大210 μm，惡化后的振動(dòng)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 引風(fēng)機(jī)惡化后800 r/min時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)表

由于該引風(fēng)機(jī)振動(dòng)較大，出于安全考慮，申請(qǐng)調(diào)停，對(duì)風(fēng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體檢查，解體過(guò)程中發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)葉輪壓蓋螺栓全部斷裂，軸承箱解體后檢查，軸承未見(jiàn)異常。更換新的螺栓后，該風(fēng)機(jī)再次試運(yùn)行啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)振動(dòng)值明顯下降，振動(dòng)最大點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)自由端和驅(qū)動(dòng)端水平方向，約65 μm，經(jīng)動(dòng)平衡計(jì)算，若要降低這個(gè)振動(dòng)，需在空心軸靠近電動(dòng)機(jī)側(cè)聯(lián)軸器處加重約11 kg，且加重角度與上次動(dòng)平衡角度相差180°，將上次所加平衡塊取下后，再次啟動(dòng)該風(fēng)機(jī)，各轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)良好，均小于30 μm。

此次動(dòng)平衡只是將上次所加平衡塊取下，風(fēng)機(jī)振動(dòng)即得到有效降低，上次所加平衡質(zhì)量在這次風(fēng)機(jī)檢修后已變成附加的不平衡量，表明在上次動(dòng)平衡時(shí)，該風(fēng)機(jī)葉輪壓蓋螺栓處已經(jīng)出現(xiàn)失效故障，但尚未完全失效，風(fēng)機(jī)整體表現(xiàn)為動(dòng)不平衡故障，后在運(yùn)行期間其余螺栓發(fā)生斷裂，導(dǎo)致軸系整體失穩(wěn)。

4 金屬分析

對(duì)部分?jǐn)嗔训穆菟ㄟM(jìn)行元素成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表4所示，送檢的8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓存在材質(zhì)差異。按照DL/T439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定[6]，35鋼的標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度為510 MPa，不滿足設(shè)計(jì)要求8.8級(jí)強(qiáng)度螺栓（標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈強(qiáng)比0.8）的規(guī)定。

表4 螺栓元素成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)送檢螺栓進(jìn)行斷口分析，未見(jiàn)明顯變形、縮頸區(qū)域，考慮為受剪切力較大而斷裂，結(jié)合風(fēng)機(jī)葉輪與軸徑的配合間隙較上次檢修后出現(xiàn)較大變化，以及該螺栓的安裝工藝等，推測(cè)風(fēng)機(jī)葉輪壓蓋螺栓斷裂原因如下：首先8根螺栓存在強(qiáng)度不同的現(xiàn)象，其次螺栓預(yù)緊時(shí)并未按照規(guī)定使用力矩扳手，采用大錘敲緊的方式緊固螺栓，造成螺栓緊固力矩存在較大不同，這兩條因素便導(dǎo)致了單根螺栓因強(qiáng)度不足先行斷裂。某根螺栓斷裂后，風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)便發(fā)生某一角度偏轉(zhuǎn)，造成葉輪和主軸發(fā)生某一方向的摩擦進(jìn)而造成兩者間隙的擴(kuò)大。當(dāng)葉輪和主軸間隙擴(kuò)大后，則帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力將減小，從而轉(zhuǎn)為依靠葉輪通過(guò)摩擦力帶動(dòng)壓蓋后，通過(guò)壓蓋螺栓傳遞給主軸，則壓蓋螺栓會(huì)承擔(dān)較大的剪切力，從而在長(zhǎng)期變負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中造成壓蓋螺栓全部發(fā)生剪切斷裂。

5 結(jié)語(yǔ)

引風(fēng)葉輪壓蓋螺栓斷裂事故并不常見(jiàn)，當(dāng)出現(xiàn)螺栓斷裂時(shí)，應(yīng)從部件的安裝結(jié)構(gòu)、螺栓受力等角度，結(jié)合金屬分析和振動(dòng)分析，明確事故原因。通過(guò)該案例分析可知，風(fēng)機(jī)葉輪壓蓋螺栓失效是由于部分螺栓材質(zhì)不合格，且檢修工藝不嚴(yán)謹(jǐn)，造成部分螺栓失效后，進(jìn)一步發(fā)展為螺栓全部斷裂，引起的振動(dòng)超標(biāo)和軸系失穩(wěn)問(wèn)題。

因此對(duì)于電廠的運(yùn)行設(shè)備，首先要保證部件材料的合格，再按照廠家規(guī)范要求進(jìn)行安裝，并在日常運(yùn)行中嚴(yán)密監(jiān)視設(shè)備的各種特征情況，有助于提高設(shè)備的可靠性、保證機(jī)組的安全生產(chǎn)。