AV80 軸流壓縮機葉片根部裂紋原因分析及對策

逯 斌，林衛(wèi)全，付兆升，張 劍，史紅艷

（山東鋼鐵萊蕪分公司能源動力廠 山東萊蕪 271100）

1 背景

山鋼萊蕪分公司能源動力廠型鋼熱電車間1＃汽輪鼓風機（型號：AV80－15），圖號：900259／4153，該套機組2004 年5 月份投運，已運行近16 年。 轉(zhuǎn)子曾在2010 年返廠常規(guī)檢修，動葉著色探傷，高速動平衡。 本次轉(zhuǎn)子、承缸返廠檢修，主要檢修內(nèi)容為轉(zhuǎn)子解體、動葉磁粉探傷，高速動平衡；承缸部分常規(guī)檢修，靜葉磁粉探傷、更換密封環(huán)。 在對動葉磁粉探傷中，發(fā)現(xiàn)葉片葉根有裂紋失效情況。

2 1＃機組（AV80－15）葉片失效情況描述

2022 年7 月16 日返廠對動葉、隔葉塊、靜葉進行磁粉探傷檢查，發(fā)現(xiàn)第1－15 級493 件動葉片中有430 件葉根存在裂紋，裂紋長度基本在1 mm－40 mm 之間，在第一、二榫齒根均有出現(xiàn)，第一葉根齒居多，且隨機分布在葉根進氣邊或排氣邊。 隔葉塊探傷有13 件發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋長度5 mm－10 mm。 靜葉磁粉探傷均合格。 葉片磁粉探傷圖如圖1 所示

圖1 裂紋葉片熒光磁粉探傷照片

2011－2012 年，高爐大修后，鼓風機實際運行壓力從390 KPa 提升410 KPa（G），風量幾乎沒有變。 本次分析從設(shè)計、制造檔案、失效葉片材料的理化檢驗及現(xiàn)場運行等環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)分析。

3 葉片失效原因查找

3.1 1＃機組（AV80－15）設(shè)計環(huán)節(jié)核查

陜鼓軸流壓縮機動靜葉片均按照理論的“無限壽命”設(shè)計，即在振動、強度范圍內(nèi)保證10 的7次方疲勞壽命要求及其安全性。 但由于各現(xiàn)場實際工況不同，如磨損（導致振動頻率改變）、腐蝕、操作、維護、特殊異常工況、材料缺陷、加工質(zhì)量等都有可能導致葉片提前“疲勞”、失效，因此實際的葉片疲勞壽命是有限的。

3.2 動葉片強度應(yīng)力的計算核查

按照當前運行的工況，Pc ＝517 KPa（A），Qn ＝5250 Nm3／min 計算，應(yīng)力情況見表1。

表1 升負荷前各級葉片應(yīng)力計算結(jié)果

在該工況下，第8 級動葉片氣流彎應(yīng)力最大，為22.55 MPa；第1 級動葉片離心應(yīng)力最大，為114.43 MPa，符合設(shè)計規(guī)范。

3.3 葉片振動頻率的計算核查

3.3.1 動葉片固有頻率計算

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對動葉產(chǎn)生的擾動屬于低頻激振，一般只核算一階彎曲共振。 表2 為各級動葉片，固有頻率計算結(jié)果。

表2 各級動葉片固有頻率計算結(jié)果

由于機組已運行近16 年，葉片進出氣邊均有不同程度的磨損，葉片磨損會引起頻率發(fā)生變化，當頻率進入共振范圍內(nèi)，會引起葉片振動增加，長周期運行會促進葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生。

3.4 葉片材料與標準的對比核查

經(jīng)查材質(zhì)檔案，該機組葉片材料為1Cr12Mo不銹鋼，該裂紋葉片為2004 年生產(chǎn)的葉片， 原材料供貨廠家為北京布魯特，葉片化學成分符合GB／T 8732 標準要求。 葉片化學成分檢測見表3。

表3 材質(zhì)檢測與檔案化學成分檢驗對比表

3.5 1＃鼓風機（AV80－15）現(xiàn)場運行情況匯總

該機組為15 年以前出廠的機型，機組沒有增加防阻塞系統(tǒng)，高爐在休風時，鼓風機在小靜葉角度（≤30°）運行，防喘閥全部打開，風機的出口壓力全部≤50KPa（G）運行。

現(xiàn)場查看機組，存在阻塞的情況；當機組存在阻塞時聲音異常，即深度阻塞時才調(diào)節(jié)壓縮機的工況消除異常聲音。 具體可參照圖2。

鼓風機處于阻塞狀態(tài)，阻塞的時間基本取決于高爐休風的時間，一般休風時間約2 小時；查詢最高紀錄，最長一次休風時間為8 小時。 阻塞的頻率也取決于高爐休風的頻次，高爐不順，休風頻率越高，風機操作進入阻塞區(qū)域的概率越大，導致鼓風機在阻塞區(qū)域運行；阻塞工況引起的載荷沖擊會造成葉根產(chǎn)生疲勞裂紋。

4 葉片失效原因分析

鼓風機屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，葉片存在周期性氣流激振。 該軸流壓縮機的葉片設(shè)計均按照理論的“無限壽命”理念來設(shè)計，但實際上葉片的磨損（導致振動頻率改變）、腐蝕、操作、維護、特殊異常工況、材料缺陷、加工質(zhì)量等都有可能導致葉片提前“疲勞”、失效。 從上面設(shè)計、葉片加工、葉片材料復(fù)檢、運行等上看都為正常范規(guī)范圍。

因此，經(jīng)過分析，葉片的失效原因主要在于以下幾個方面：

1）該鼓風機運行15 年以上，葉片存在一定的磨損及沾灰腐蝕性影響，導致葉片振動頻率的改變。

2）鼓風機以前長期運行并適應(yīng)在小負荷工況，近1－2 年負荷增大，導致鼓風機振動增大，加大葉片疲勞趨勢。

3）高爐休風時，機組累計長時間在阻塞區(qū)運行，阻塞工況下運行會造成氣流不穩(wěn)定，將激發(fā)葉片振動，并附加額外的氣流激振，長時間會在葉片根部應(yīng)力較大處產(chǎn)生裂紋、疲勞擴展。

5 措施實施

1）新補制動葉片葉根進行倒棱處理，采用低邊齒結(jié)構(gòu)，并對前10 級動葉片的葉根進行噴丸處理。

2）鼓風機增加防阻塞系統(tǒng)，避免風機在阻塞區(qū)域運行；休風時，建議風機運行的最小靜葉角度為30°。

控制系統(tǒng)畫面增加防阻塞線與報警功能，陜鼓提供阻塞數(shù)據(jù)；

阻塞區(qū)域運行，增加計時功能，通過累計時間知道鼓風機檢修周期；

高爐休風或鼓風機進入阻塞區(qū)通過調(diào)節(jié)防喘閥與送風閥脫離阻塞；

改造送風閥具有調(diào)節(jié)功能，保證調(diào)節(jié)時的安全可靠，或者高爐休風時通過在高爐側(cè)放風，保證風機的出口壓力高于阻塞壓力。

3）嚴格按照新版《軸流壓縮機說明書SM》操作，具體關(guān)注風機的啟機、加載、檢測、防阻塞操作、高爐休風操作、停機、周期性的檢維修以等內(nèi)容。

6 效果驗證

1）試驗內(nèi)容：分別在4 個靜葉角度（32° 42°50° 60°）下進行喘振性能試驗，前2 個靜葉角度下試驗到發(fā)生喘振現(xiàn)象（32° 42°），第3、4 個靜葉角度下未試驗到喘振（50°60°）。 最后一個（60°）在排氣壓力580KPa（設(shè)計排氣表壓0.450MPa）時終止實驗。

2）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)（見圖3、圖4）：該軸流壓縮機性能達到設(shè)計要求，并能滿足工藝使用要求，喘振性能合格。

圖3 1＃風機喘振試驗軸系運行狀態(tài)圖

圖4 1＃風機喘振試驗運行工況圖

3）防喘振曲線參數(shù)和防阻塞曲線參數(shù)已由山信軟件儀控人員設(shè)定在防喘振控制系統(tǒng)中，并進行了標定，該風機已正常安全投入運行。

7 結(jié)語

造成軸流壓縮機葉片根部裂紋的原因很多，解決方法也有較大的變化。 針對型鋼熱電車間1＃汽輪鼓風機動葉榫齒根出現(xiàn)裂紋情況，用常規(guī)檢查和分析方法難以確定造成葉根有裂紋的真正原因。通過優(yōu)化防喘曲線、加裝阻塞曲線的方法，開拓了分析問題和處理解決問題的思路和方法，對今后類似問題的分析和處理提供有益借鑒。