苗 雨

(哈電集團現(xiàn)代制造服務(wù)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

最近，一臺國產(chǎn)超－超臨界600 MW 汽輪發(fā)電機組在起動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高達到額定轉(zhuǎn)速3000 r/min時，發(fā)生了汽輪發(fā)電機旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與固定的擋油環(huán)之間相互碰撞、磨擦的故障。轉(zhuǎn)軸的振動幅度高達200 μm以上，嚴重超過標準規(guī)定值，從而引起保護裝置動作，實現(xiàn)自動停機。

在現(xiàn)場實施高速動平衡試驗過程中，進行了兩次配重調(diào)整，使轉(zhuǎn)軸的振動幅值降低達到80 μm以下。在機組并網(wǎng)和承擔(dān)負荷以后，機組各個軸承處轉(zhuǎn)軸的振動穩(wěn)定，運行情況良好。然而在運行2年以后，勵磁機一側(cè)軸承處的轉(zhuǎn)軸振動持續(xù)增大，最大達到 430 μm。

通過停機檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸聯(lián)軸器靠背輪的法蘭上面有2條裂紋:其中一條裂紋已經(jīng)通過聯(lián)軸器的銷釘孔延伸到靠背輪法蘭盤的外圓面;另一條裂紋則已經(jīng)通過法蘭盤的銷釘孔延伸到靠背輪的端面。這兩條裂紋通過擴展已經(jīng)相遇，并交匯在一起，造成開裂狀態(tài)。此外，檢查中還發(fā)現(xiàn):有4個銷釘孔內(nèi)已經(jīng)銹蝕，其中有2個比較嚴重。最后決定將發(fā)電機返回工廠進行檢修。

由于振動而產(chǎn)生裂紋和開裂的原因非常復(fù)雜，只能采用綜合分析的方法，其中包括統(tǒng)計法、排除法、動力和靜力分析法、以及金相組織檢驗法等，試圖找到根本原因。

1 檢查

1.1 外形尺寸

對這臺汽輪發(fā)電機的軸端部帶有法蘭形狀的靠背輪，進行外形尺寸檢查。測量結(jié)果證明，完全符合設(shè)計要求。

1.2 探傷檢驗

在拆除帶有聯(lián)軸器法蘭盤的軸頭外圓上的集電環(huán)、勵磁線圈銅排及固定螺桿以后，對其進行了仔細的表面清理和著色超聲波探傷檢驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述2條裂紋(其表面長度分別為 520 mm和300 mm)已經(jīng)開裂而且貫穿靠背輪法蘭盤的整個壁厚，已經(jīng)在中心軸孔內(nèi)交匯。

1.3 化學(xué)成分

為了驗證帶有法蘭的軸頭材質(zhì)是否滿足設(shè)計要求，對它實施破壞性解剖試驗。由于裂紋已經(jīng)貫穿靠背輪的整個壁厚，所以采用銑床從法蘭外圓進刀，并沿著裂紋邊緣采用銑刀切開，然后再將裂紋打開。在軸頭的法蘭盤上相隔180°的2個對稱位置，沿著切向取下1號和2號共2塊試驗用材料，分別進行化學(xué)成分、氫含量、力學(xué)性能和金相組織的分析和確定。其中有關(guān)化學(xué)成分的分析結(jié)果見表1。帶有法蘭的軸頭材質(zhì)為25Cr2Ni4MoV，按照要求，應(yīng)當(dāng)符合標準JB/T 1267—2002的規(guī)定。

表1 化學(xué)成分 %

分析結(jié)果證明，軸頭材質(zhì)的化學(xué)成分完全符合標準JB/T 1267—2002的規(guī)定。

此外，經(jīng)過檢測分析表明，2塊試樣的氫含量分別為0.9 ×10－6和1.1 ×10－6。也完全符合標準 JB/T 1267—2002 的規(guī)定值:≤1.5 ×10－6。

1.4 力學(xué)性能

對2塊切向試樣進行的拉伸、沖擊、FATT和硬度等驗證試驗結(jié)果表明，也完全滿足設(shè)計和技術(shù)條件的要求(見表2)。

表2 力學(xué)性能

1.5 金相結(jié)晶

對沖擊試樣材料質(zhì)量的金相組織、晶粒度和所含有的夾雜物，進行了檢驗分析。結(jié)果表明，軸頭材質(zhì)的金相組織為回火索氏體，屬于正常的金相結(jié)晶組織。檢測結(jié)果還證明:結(jié)晶的顆粒度數(shù)屬于7級，符合標準 JB/T 1267—2002的要求;材料所含有的夾雜物≤1級。

1.6 裂紋斷口

雖然化學(xué)成分、機械性能和超聲波探傷均合格，但是由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸上加工凹槽時沒有倒角而留下尖角，便產(chǎn)生應(yīng)力集中，在機組起動、停機或旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與固定的擋油環(huán)之間的振動等外力作用下，引起了動應(yīng)力，便從尖角處萌生出裂紋，加上在凹槽內(nèi)部存在加工不良痕跡的情況下，便進一步促使裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致疲勞開裂。

為了查出裂紋的起源和導(dǎo)致開裂的原因，對裂紋斷口本身的狀況，進行了周密的宏觀檢查和仔細的微觀檢驗。

1.7 宏觀檢查

對于裂紋的外觀，進行了宏觀形貌方面的檢查。裂紋外觀形貌比較光滑、平直，表面類似一次性脆性斷口，裂紋附近沒有明顯的塑性變形，貝紋線清晰，從貝紋線走向判斷，符合疲勞斷裂的特征，開裂方式為疲勞破壞。疲勞斷裂的起源位于凹槽開口位置。由于它存在著裂紋擴展區(qū)域和瞬時破斷區(qū)域，可以斷定它是一種典型的疲勞斷裂，而且是屬于多源疲勞斷裂的范疇。

典型疲勞破壞的疲勞斷口分為3個具有完全不同類型特征的區(qū)域，即疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)域和瞬時破斷區(qū)域。它是當(dāng)裂紋長度為1mm以下時，裂紋是在擴展區(qū)域緩慢形成的，這一階段裂紋張開的位移較小，擴展緩慢，反復(fù)地張開和閉合使斷口兩面相互擠磨，形成了斷口上最細微又平滑的區(qū)域。疲勞裂紋的擴展區(qū)域是疲勞斷口上最重要的特征區(qū)域，其表面要比疲勞起源區(qū)域粗糙、發(fā)暗，常呈現(xiàn)貝紋形狀那樣的條紋。這些條紋以裂紋核心為中心，向四周擴散，形成一簇一簇的弧形線條，它們都垂直于裂紋核心的擴展方向。而肉眼所看見的貝紋線是由載荷的波動引起的，機組的起動、停機，或運行中偶然因素引起的應(yīng)力波動等，都會促使貝紋線產(chǎn)生。瞬時斷裂區(qū)域是裂紋最后失穩(wěn)和快速擴展所形成的斷口區(qū)域，在其邊緣平面處的應(yīng)力則屬于剪切應(yīng)力。

宏觀檢查結(jié)果表明，2條裂紋的產(chǎn)生，都是起源于軸頭外圓上沿著軸向用銑床切割出來的凹槽，這些開口槽是用于安裝勵磁線圈引線銅排的。隨著外力的不斷作用，這些裂紋便逐漸向著法蘭盤的螺栓－銷釘孔里面以及法蘭外圓擴展，并在外圓上面形成瞬時破斷區(qū)域。

1.8 微觀檢驗

為了準確地查出裂紋起源的具體位置，在與裂紋擴展的“貝紋”狀條紋最高點相對應(yīng)的地方，取3號和4號共2塊試驗樣品，它們的寬度均為30 mm左右。2塊試驗樣品的中心距離軸孔中心線的距離均為110 mm左右。采用掃描電子顯微鏡對開裂斷口進行了外觀檢驗分析。檢驗結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)了明顯的疲勞輝紋。這是由于尖端應(yīng)力集中，并發(fā)生了亞臨界擴展，因此便留下一條一條的疲勞輝紋，這類疲勞輝紋通過肉眼難于分辨。實際上疲勞輝紋是一系列基本上相互平行的條紋，它們呈現(xiàn)彎彎曲曲的波浪形狀，并與裂紋局部擴展方向相互垂直。當(dāng)裂紋形成以后，在拉應(yīng)力的作用下，便張開，并使其尖端鈍化。如果受到壓力，或卸掉負載，裂紋就會閉合，而裂紋的尖端便會重新銳化。

通過微觀檢驗還發(fā)現(xiàn)，在3號試驗樣品的疲勞起源區(qū)域，存在著深度大約為4 μm的凹坑，而且還存在加工不良的痕跡。此外在3號試驗樣品的疲勞起源區(qū)域，還發(fā)現(xiàn)一個長度大約為18 μm的夾雜物，經(jīng)過能譜分析，結(jié)果表明，它是一種富含Ti和Ca的夾雜物;在4號試驗樣品的疲勞起源區(qū)域，也發(fā)現(xiàn)一個夾雜物，其長度大約為40 μm，要比3號試驗樣品的夾雜物大得多。經(jīng)過能譜分析，結(jié)果表明，它是一種富含Ti的夾雜物。按照標準JB/T 1267—2002中有關(guān)超聲波探傷的規(guī)定 :夾雜物直徑在2 mm以下的缺陷，可以忽略不計。由此可見，上述2種夾雜物類缺陷的尺寸大小，遠未超過標準值的規(guī)定，而且盡管這些尺寸大小不等的夾雜物，位于裂紋起源區(qū)域附近，但是并非處在裂紋起裂的位置。而兩條裂紋的形成和擴展，都是沿著加工不良的痕跡進行的。因此完全可以排除這些夾雜物引起裂紋和開裂的可能性。

2 開裂原因分析

為了查出并確認裂紋的起源和導(dǎo)致軸頭法蘭開裂的原因，除了進行上述失效分析和多種排查以外，還對端部帶有法蘭的軸頭部分，進行了有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的強度和疲勞計算分析。其驗算結(jié)果與前面的檢驗結(jié)果是一致的，即裂紋起源于端部帶有法蘭的軸頭部分外圓上沿著軸向用銑床切割出來的用于安裝勵磁線圈引線銅排的凹槽。因為這些開槽內(nèi)部尖角沒有實施倒角，而且存在加工不良現(xiàn)象，形成了應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。在交變負載(比如前面提到的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與固定的擋油環(huán)之間相互碰撞、磨擦等)的外部力量作用下，這些裂紋便不斷擴展，從而進一步造成法蘭的疲勞斷裂。

3 經(jīng)驗教訓(xùn)

600 MW大型汽輪發(fā)電機組是引進西屋公司的先進技術(shù)，而且還經(jīng)過中美雙方聯(lián)合進行的優(yōu)化設(shè)計，是實現(xiàn)了國產(chǎn)化的產(chǎn)品。只是由于轉(zhuǎn)軸上開槽卻沒有要求倒角這樣小小的設(shè)計失誤而引起事故，實在令人痛心。聯(lián)想起來不久以前，也是在600 MW大型汽輪發(fā)電機組上，曾經(jīng)發(fā)生過類似事故:在轉(zhuǎn)軸上固定勵磁繞組引線銅排的高強度螺釘，在進行國產(chǎn)化轉(zhuǎn)化設(shè)計時，卻沒有提出倒角要求，導(dǎo)致應(yīng)力集中。在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的強大離心力作用下，便引起螺釘斷裂，連同被固定的零件，都在這種高轉(zhuǎn)速離心力的作用下被甩出，并擊壞定子繞組端部。這類事故的經(jīng)驗教訓(xùn)，應(yīng)當(dāng)牢記在心。

4 結(jié)語

(1)由于高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)而引起振動并產(chǎn)生裂紋和開裂的原因非常復(fù)雜，當(dāng)今世界還沒有特別有效的和通用的解決辦法.目前只能采用綜合分析的方法，其中包括統(tǒng)計法、排除法、動力和靜力分析法、以及金相組織檢驗法等，可以找到根本原因。

(2)超－超臨界600 MW汽輪發(fā)電機組運行中，勵磁機一端轉(zhuǎn)軸的振動持續(xù)增大，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸聯(lián)軸器靠背輪法蘭開裂的事故原因有兩方面:外因是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與固定的擋油環(huán)之間相互碰撞、磨擦引起的振動;內(nèi)因是轉(zhuǎn)軸端部帶有法蘭的軸頭部分外圓上沿著軸向用銑床切割出來的用于安裝勵磁線圈引線銅排的凹槽內(nèi)部沒有實施倒角，而且存在加工不良現(xiàn)象，形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致開裂。

(3)只是由于轉(zhuǎn)軸上開槽卻沒有要求倒角這樣小小的設(shè)計失誤而引起事故，實在令人痛心?？紤]到這類事故并非個案，必須吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，采取嚴格的把關(guān)或?qū)ｍ棇彶槌绦?，從根本上杜絕此類事故的再次發(fā)生。