張呂華/浙江浙能電力股份有限公司

朱朝陽 劉川槐/淮浙煤電鳳臺發(fā)電分公司

660MW機組汽動引風(fēng)機葉片斷裂原因的分析

張呂華/浙江浙能電力股份有限公司

朱朝陽 劉川槐/淮浙煤電鳳臺發(fā)電分公司

0 引言

淮浙煤電鳳臺發(fā)電廠二期擴建2× 660MW工程3、4號機組鍋爐系上海鍋爐廠有限公司設(shè)計制造的SG-2009/ 28-M6004型超超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，鍋爐采用單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、П型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。兩臺機組分別于2013年12月9日和2013年12月27日通過168小時滿負荷連續(xù)試運行并投入商業(yè)運行。每臺鍋爐配兩臺小汽輪機驅(qū)動的HA46048-8Z型靜葉可調(diào)軸流式聯(lián)合引風(fēng)機，引風(fēng)機設(shè)計工況下的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)如下：

風(fēng)機型號：HA46048-8Z；流量：513.3m3/s；全壓升：9 839Pa；效率：85.6％；介質(zhì)溫度：140℃；轉(zhuǎn)速：995r/min；葉輪直徑：3 000mm；葉輪級數(shù)：1級；每級葉片數(shù)：19片；靜葉角度調(diào)節(jié)范圍：-75°～30°；輪轂及葉片材質(zhì)：進口NAXTRA700高強度結(jié)構(gòu)鋼；風(fēng)機制造廠家：成都電力機械廠；驅(qū)動汽輪機型號：NG40/32；額定功率：5.946MW；額定氣壓：4.947MPa；進氣溫度：345.8℃；轉(zhuǎn)速：7 665r/min；減速機轉(zhuǎn)速比：7.7：1；汽輪機制造廠家：杭州汽輪機股份有限公司。

2014年4月22日，3號機組正常運行過程中，3B汽動引風(fēng)機組減速機振動突升，保護動作，機組RB。隨即對小汽輪機、減速機及風(fēng)機進行檢查：3B汽動引風(fēng)機跳閘后，小汽輪機盤車無法投入，手動盤車，并打開減速機檢查蓋檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，盤車仍有聲響，脫開風(fēng)機聯(lián)軸器后盤動小汽輪機正常，無異音，沖轉(zhuǎn)小汽輪機無異常，初步判斷小汽輪機及減速機正常。打開引風(fēng)機進口風(fēng)道人孔門，查看靜葉及靜葉開關(guān)情況，未見異常，但在查看風(fēng)機葉片時，發(fā)現(xiàn)所有葉片彎曲變形；揭開葉輪上蓋進一步檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機葉輪有一片葉片已斷裂，其他葉片受碰擊后彎曲變形，其中17片葉片根部焊縫處有明顯裂紋，且2片葉片裂紋延伸至輪轂；風(fēng)機外殼頂部擊穿、底部磨損，圓鋼支撐桿被擊打脫落；后導(dǎo)葉頂部有輕微損壞，靜葉未見損傷。

3B引風(fēng)機葉輪損壞后，機組被迫降出力運行，由于無備用葉輪，速聯(lián)系制造廠準備新葉輪，并將損壞葉輪運送至制造廠修復(fù)。5月7日，3號機組停運，電廠安排對3A引風(fēng)機進行揭蓋檢查，發(fā)現(xiàn)該引風(fēng)機葉輪有11片葉片存在不同程度的裂紋，其中1片葉片裂紋延伸至輪轂。

1 原因分析

靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機的結(jié)構(gòu)形式為單個葉輪，前、后設(shè)置導(dǎo)葉，葉輪由許多相同翼型的葉片，徑向排列成彼此間距離相等的葉柵，為了獲得較高的效率，葉片做成扭曲形。前置導(dǎo)葉的工作原理是，在設(shè)計工況下，流體進入導(dǎo)葉后產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)速度，流體經(jīng)過導(dǎo)葉后的流動方向是軸向的。從葉輪流出的氣流為螺旋狀沿軸向流動，這個氣流運動可以分解為沿軸向的運動和圓周方向的運動。為了減少能量損失，回收圓周方向運動的能量，在葉輪出口端裝置導(dǎo)葉——后置導(dǎo)葉，后導(dǎo)葉是靜止不動的。氣流經(jīng)過葉輪的旋轉(zhuǎn)運動，氣體獲得了能量，經(jīng)后導(dǎo)葉、擴壓筒而獲得較高的風(fēng)壓。該引風(fēng)機采用汽輪機驅(qū)動，經(jīng)減速機減速，利用汽輪機進氣量變化來改變汽輪機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)引風(fēng)機的變速調(diào)節(jié)。為便于調(diào)節(jié)控制，運行中預(yù)置前導(dǎo)葉開度于85％～90％保持不變，前置導(dǎo)葉在變工況時，不再起到調(diào)節(jié)的作用，這樣可以適應(yīng)流量在較大范圍內(nèi)變化，而且有較高的效率。

圖1和圖2為3B引風(fēng)機葉輪開裂的現(xiàn)場圖片，圖1可見其中一片葉片已完全斷裂，圖2可見大部分葉片根部均有裂紋產(chǎn)生，有的位于焊縫根部，有的距焊縫根部尚有一定的距離。根據(jù)引風(fēng)機的運行狀態(tài)及裂紋形態(tài)可以判定該葉片裂紋起源點位于葉片最端部，而后沿焊縫根部擴展，最后在葉片中間位置撕開。

圖1 引風(fēng)機葉片斷裂后輪轂側(cè)斷口圖

圖2 引風(fēng)機葉片根部裂紋圖

3B引風(fēng)機葉片斷裂事件發(fā)生后，電廠將斷裂的葉片送至安徽電科院，委托進行金屬分析。試驗人員采用CMT5105型電子萬能試驗機對試樣進行橫向和縱向拉伸試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。拉伸試驗結(jié)果顯示，來樣屈服強度滿足相關(guān)規(guī)定，抗拉強度高于進口鋼板廠家的強度試驗結(jié)果，并且高于標準規(guī)定的上限值，延伸率低于相關(guān)標準要求。采用HBE-3 000A型布氏硬度計，在金相試樣表面進行硬度試驗，結(jié)果見表2。硬度試驗結(jié)果顯示，來樣葉片的硬度高于生產(chǎn)廠家提供的二次調(diào)質(zhì)報告中的回火硬度（210～230HB）。對來樣進行光譜檢驗、沖擊試樣和金相檢驗，試驗結(jié)果未見異常。

表1 拉伸試驗數(shù)據(jù)表

表2 布氏硬度試驗數(shù)據(jù)表HB

通常，引起風(fēng)機葉片斷裂的可能原因有：風(fēng)機喘振或失速導(dǎo)致葉片受到較大的動應(yīng)力，破壞葉輪；葉輪母材質(zhì)量不合格；葉輪焊接、熱處理質(zhì)量不合格；風(fēng)機變速調(diào)節(jié)，葉輪受到持續(xù)的交變應(yīng)力引起葉輪疲勞損壞；風(fēng)機變速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速頻率與葉輪固有頻率成倍數(shù)關(guān)系，造成共振，破壞葉輪?，F(xiàn)進行具體原因分析：

1）風(fēng)機喘振或失速引起葉輪破壞。軸流式風(fēng)機運行中由于調(diào)節(jié)不當，葉輪進入到不穩(wěn)定工況區(qū)運行，可能出現(xiàn)喘振或失速現(xiàn)象。此時葉輪經(jīng)過失速區(qū)將會受到一次激振力的作用，可使葉片產(chǎn)生共振，葉片的動應(yīng)力增加，致使葉片斷裂。風(fēng)機喘振或失速主要表現(xiàn)為風(fēng)量、出口風(fēng)壓出現(xiàn)大幅度波動，劇裂振動和異常噪聲。查看3B引風(fēng)機葉輪斷裂前的運行狀態(tài)，風(fēng)機風(fēng)量、出口風(fēng)壓未出現(xiàn)大幅度波動，葉片發(fā)生斷裂后才出現(xiàn)軸系振動激增，故可以排除風(fēng)機葉片斷裂系喘振或失速導(dǎo)致。

2）制造母材及焊接、熱處理質(zhì)量原因。從安徽電科院的試驗數(shù)據(jù)可見，試樣葉片抗拉強度和硬度高于標準規(guī)定的上限，延伸率低于標準規(guī)定，這是因為該葉片在二次調(diào)質(zhì)過程中熱處理工藝不當（回火溫度不夠或回火時間較短），導(dǎo)致回火不充分，殘余應(yīng)力較高。此種性能條件下的葉片在高疲勞環(huán)境下運行，應(yīng)力最集中的葉片端部首先產(chǎn)生裂紋，繼而沿結(jié)構(gòu)中最薄弱的焊接熔合線擴展，最終撕開斷裂。

3）葉輪受到持續(xù)的交變應(yīng)力引起疲勞損壞。由于風(fēng)機利用汽輪機進氣量變化來改變轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變速調(diào)節(jié)，在機組負荷上升或下降時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為適應(yīng)負荷調(diào)整需要而發(fā)生改變，在負荷穩(wěn)定時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速也會出現(xiàn)持續(xù)波動現(xiàn)象。這種風(fēng)機轉(zhuǎn)速的波動，使葉片受力不斷改變，加速和減速時會受到方向相反的力，這個力叫做交變應(yīng)力，持續(xù)不斷的交變應(yīng)力，會使葉片造成疲勞損壞。而葉片的進風(fēng)口根部所受的交變應(yīng)力最大，葉片根部會最先產(chǎn)生疲勞源。通過大量DCS數(shù)據(jù)查看，印證了風(fēng)機轉(zhuǎn)速和葉輪進出口壓力頻繁波動現(xiàn)象。數(shù)據(jù)查看也發(fā)現(xiàn)，若僅因為負荷變動而調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速的波動頻率比較小。

4）轉(zhuǎn)速頻率與葉輪固有頻率造成共振引起破壞葉輪。風(fēng)機葉片本身具有一定的固有振動頻率，引起共振的條件是當外力的脈沖頻率和物體的固有振動頻率相重合或成倍數(shù)時。當風(fēng)機的葉片產(chǎn)生共振時，它的后果是葉片由于金屬疲勞而斷裂。通過現(xiàn)場搜集的大量DCS數(shù)據(jù)來看，風(fēng)機振動較小，但是某轉(zhuǎn)速區(qū)段風(fēng)機振動值有一定幅度的波動，應(yīng)該是調(diào)速時沖擊引起的。根據(jù)制造廠提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，風(fēng)機葉片的靜止狀態(tài)下固有頻率為144Hz，動態(tài)下固有頻率為147Hz，風(fēng)機的第一臨界轉(zhuǎn)速為1 290r/min，據(jù)此推斷，在0～990r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，理論計算上葉片是可靠的，但由于實際安裝情況變化，風(fēng)機的頻率會發(fā)生變化，故不能排除葉片共振產(chǎn)生的可能性。

綜合上述，造成引風(fēng)機葉片破壞的主要原因是運行中風(fēng)機轉(zhuǎn)速波動，產(chǎn)生持續(xù)不斷的交變應(yīng)力，從而造成葉輪疲勞損壞；而葉輪在制造過程中熱處理工藝不當，殘余應(yīng)力較高，也是造成引風(fēng)機葉片破壞的重要原因。

2 處理措施

鑒于3B引風(fēng)機葉片發(fā)生斷裂和大部扭曲變形，無法進行現(xiàn)場修復(fù)，將轉(zhuǎn)子組整體運至制造廠更換新葉輪，出廠前完成動平衡試驗。對于3A引風(fēng)機，因制造廠已無同型葉輪，新葉輪制造周期較長，故對舊葉輪采用現(xiàn)場修補方案。因3A引風(fēng)機葉輪裂紋非常嚴重，在裂紋的兩端頭鉆Φ8mm止裂孔，再用磨光機打磨裂紋部位，將裂紋清除干凈，著色探傷檢查無裂紋，施焊前嚴格執(zhí)行制造廠提供的修復(fù)工藝，采用直流反接法進行補焊，焊接時控制好層間溫度和電流，同時按工藝要求做好焊前預(yù)熱、焊后熱處理工作。待所有葉片裂紋處理完24小時后，再次對葉片進行全面探傷檢查。風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速下試轉(zhuǎn)1小時，各項參數(shù)穩(wěn)定，均在規(guī)定范圍內(nèi)。試轉(zhuǎn)合格后，重新對該葉輪葉片進行磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。由于3A引風(fēng)機葉輪在現(xiàn)場修復(fù)，不能保證長時間安全運行，待新加工的葉輪到廠后還須重新進行更換。

為了提高引風(fēng)機的運行可靠性，防止類似事件重復(fù)發(fā)生，電廠同時還制定了以下防范措施：

1）加強對引風(fēng)機運行狀態(tài)的監(jiān)視，優(yōu)化運行調(diào)節(jié)手段。通過分析DCS歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，負荷變動時，3、4號機組各臺汽動引風(fēng)機的汽輪機轉(zhuǎn)速在5 400～5 500r/min（對應(yīng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為700～715r/min）范圍內(nèi)時，引風(fēng)機的振動值出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象，振幅達到4.4～4.5mm/s，接近風(fēng)機的振動報警值4.6mm/s。根據(jù)這一現(xiàn)象，電廠規(guī)定今后盡量避免引風(fēng)機在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)長時間運行，如因機組負荷須在該范圍內(nèi)運行時，運行人員應(yīng)撤出自動，提高汽輪機轉(zhuǎn)速至6 300r/min（對應(yīng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為818r/min），通過手動調(diào)節(jié)引風(fēng)機靜葉開度來實現(xiàn)機組負荷調(diào)節(jié)。

2）通過DCS歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機組負荷穩(wěn)定投入爐膛負壓自動時，引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速波動值達到200～400r/min（對應(yīng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速波動值為26～52r/min），葉輪受到持續(xù)的交變應(yīng)力會引起疲勞損壞。電廠后續(xù)應(yīng)研究制定風(fēng)機轉(zhuǎn)速與爐膛負壓控制之間的邏輯關(guān)系，優(yōu)化爐膛負壓控制系統(tǒng)的邏輯，可設(shè)定適當?shù)乃绤^(qū)，避免爐膛負壓控制系統(tǒng)自動振蕩引起風(fēng)機轉(zhuǎn)速波動，從而保證風(fēng)機安全可靠運行。

3）考慮到該工程4號機組引風(fēng)機結(jié)構(gòu)、運行狀況與3號機組相同，電廠需盡快安排對4號機組引風(fēng)機進行單側(cè)隔離停運檢查，如發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時進行修復(fù)，同時做好備用葉輪采購工作。

3 結(jié)論

近年來，汽輪機驅(qū)動或變頻電動機驅(qū)動的軸流式引風(fēng)機在新建大型火力發(fā)電廠得到一定的推廣使用，并帶來良好的經(jīng)濟效益，其可靠運行對電廠穩(wěn)發(fā)滿發(fā)至關(guān)重要。我國電站風(fēng)機的可靠性，與先進國家的差距也正在縮小。從這起引風(fēng)機葉片斷裂和發(fā)生裂紋的事件中，反映出對大型風(fēng)機制造質(zhì)量和運行優(yōu)化控制要求的重要性?？紤]到高轉(zhuǎn)速下對軸流式風(fēng)機葉片材料和焊接強度提出了更高的要求，建議在滿足風(fēng)機風(fēng)量、全壓升等性能參數(shù)要求的前提下，盡可能選用較低轉(zhuǎn)速的風(fēng)機，提高風(fēng)機的運行可靠性。

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介紹了某電廠660MW超超臨界發(fā)電機組汽輪機驅(qū)動靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機運行中發(fā)生葉片斷裂事件，并從風(fēng)機的結(jié)構(gòu)原理、工作機理和運行狀態(tài)出發(fā)，分析了造成葉片斷裂的幾種可能原因，提出了有效的處理方法?！鲫P(guān)鍵詞：汽動；軸流式引風(fēng)機；葉片；斷裂

Analysis of the Blade Fracture of Steam-Driven Induced-Draft Fan for 660MW Unit

Zhang Lvhua/Zhejiang Zheneng Electric Power Co.,Ltd.
Zhu Chaoyang,Liu Chuanhuai/Huaizhe Coal Power Co.,Ltd,Fengtai Power Generation Branch

steam driven;axial flow fan; blade;fracture

TH453；TK05

A

1006-8155（2015）01-0089-04

10.16492/j.fjjs.2015.01.101

2014-07-01浙江杭州310007

Abstract：This paper introduces the blade fracture occured in the operation of static adjustable axial flow fan driven by a 660MW ultra supercritical steam turbineunit.Based on the structure and principle,working mechanism and operating conditions of the induced-draft fan,it analyses several possible causes of blade fracture,and presents effetive treatment methods,which can provide good reference for the same type of unit.