汽轮机轴断裂失效分析

汽轮机轴断裂失效分析

发表时间：2018-08-07T09:40:45.057Z 来源：《电力设备》2018年第12期作者：沈健青吴金山[导读] 摘要：在电厂的日常生产过程之中汽轮机是一个相当关键的设备，与电厂的经济及社会效益紧紧相关，其主要是将热能转化成为机械能，进而对整个电厂的运作以及各个项目的生产起到巨大的推动作用。（山东齐鲁电机制造有限公司山东省济南市 250100）摘要：在电厂的日常生产过程之中汽轮机是一个相当关键的设备，与电厂的经济及社会效益紧紧相关，其主要是将热能转化成为机械能，进而对整个电厂的运作以及各个项目的生产起到巨大的推动作用。轴承是汽轮机设备上的一个非常重要的部件，但是在日常的使用和操作过程当中难免会出现相应的问题。基于此，文章就对汽轮机轴断裂失效展开分析和探讨，希望可以提供一点帮助。

关键词：汽轮机；机轴；断裂失效 1电厂汽轮机轴承概述分析

汽轮机轴承在电厂的日常生产当中可以分为两种基本的类型，这两种是推力轴承以及支撑轴承。支撑轴承主要有三种类型，分别是三油轴承、圆筒型轴承还有椭圆型轴承；而推力轴承则是由多个瓦块以及零部件组合而成。在电厂的生产当中汽轮机轴承有着非常重要的作用。在电厂工作过程当中，轴承主要是以支撑转子的力量和质量作为基础，借助支撑转子的质量存在的不平衡性，引发出巨大的离心力，使得支撑转子的中心部位可以始终与电厂的气缸设备等维持一致，确保汽轮机等重要零部件能够正常运转。在汽轮机操作的具体过程当中，其内部轴承的轴向移动状况可以非常明确并且直观的展现出机组推力变化状况。如果轴向有较大移动，则汽轮机设备就会发出相应的警告信号，而如果轴向的移动超过了一定的界限，则汽轮机就会做出相应的保护动作，停止运行，来确保电厂内部其他设备的安全性。 2汽轮机轴断裂失效分析

2.1案例介绍

某汽轮机轴在使用过程中发生断裂，断裂汽轮机轴的材料为25Cr2MoV，使用温度为450℃，工况压力4．2MPa，为分析汽轮机轴断裂的原因，对断裂的汽轮机轴进行了失效分析。

2.2理化检验及结果

（1）宏观形貌分析

汽轮机轴断口宏观形貌照片见图1，汽轮机轴端面可以分为两个半圆的平整区和心部的“一字”花样粗糙区构成，为典型的双向弯曲疲劳断裂断口。断裂源起源于汽轮机轴的外表面，裂纹呈现多源的特征，裂纹从断口两侧开始向内扩展，最终在汽轮机轴心部断裂，呈现心部的“一”字型花样。根据汽轮机轴的断口特征可以确定在结构上断裂位于螺纹处，该处应力集中，在受力方面汽轮机轴断裂的原因为受到左右两侧的弯曲应力，根据汽轮机轴的工况条件，汽轮机轴受到振动，可以确定汽轮机轴的断裂原因在结构上该处应力集中，汽轮机轴受到受迫振动。

图1 汽轮机轴断口宏观形貌照片（2）化学成分分析

断裂汽轮机轴的化学成分检测结果见表1，从表1可以看出两根汽轮机轴的化学成分都满足：《GB/T3077－1999合金结构钢》规定的25Cr2MoV A要求，可以确定两根汽轮机轴材料均为25Cr2MoV A。表1 汽轮机轴化学成分检测结果%

（3）力学性能测试

汽轮机轴的拉伸性能和冲击性能测试结果见表2，从表2可以看出汽轮机轴的所有力学性能指标皆低于《GB/T3077－1999合金结构钢》国家标准规定25Cr2MoV A的力学性能要求，说明汽轮机轴的材质在运转中发生了劣化。（4）金相显微组织分析

汽轮机轴外表面金相显微组织照片见图2，从图2中可以看出汽轮机轴外表面有一层6～9μm化合物层，近外表面金相组织中有大量的颗粒状石墨析出，说明汽轮机轴外表面金相组织发生了严重的石墨化。表2 汽轮机轴力学性能检验结果

图2 汽轮机轴金相显微组织照片（5）汽轮机轴断口SEM微观形貌分析汽轮机轴断口扫描电镜微观形貌照片，汽轮机轴裂纹源处有大量因石墨脱落而形成的空洞，扩展区微观形貌主要为轮胎花样，是典型的疲劳断口微观形貌，最终断裂区为韧窝状花样，在整个断口表面有大量的球状石墨析出。

（6）汽轮机轴断口EDS微区化学成分分析断口表面析出物EDS微区化学成分分析结果见表3，EDS分析结果表明析出物主要化学元素为C元素，这也说明汽轮机轴的材质劣化的原因主要是石墨化。其余Fe、Al、Si等元素来自于汽轮机轴材料，Ca元素可能为水蒸汽中带来。

表3 汽轮机轴断口表面EDS微区化学成分检测结果%

2.3汽轮机轴断裂原因分析

综合以上分析，汽轮机轴的断裂类型为双向弯曲疲劳断裂，根据汽轮机轴的断裂位置可知，断裂处为应力集中处，该类型疲劳断裂的主要原因是汽轮机轴运转过程中受到的振动。汽轮机轴原材料化学成分符合25Cr2MoV A要求，但汽轮机轴金相组织中有大量的石墨析出，导致汽轮机轴的抗拉强度、塑性、韧性均低于标准要求，说明汽轮机轴的材料在使用过程中已经严重劣化，这是汽轮机轴发生疲劳断裂的根本原因。

2.4建议

汽轮机轴断裂类型为双向弯曲疲劳断裂，汽轮机轴断裂的根本原因为材质的劣化即金相组织的石墨化；建议选用更耐高温的材料，在结构上避免应力集中，并尽量减小设备的振动。 3汽轮机轴改善对策 3.1管理方面的控制

为了对汽轮机轴承的使用寿命进行提升，就需要对管理进行提升，要定期对汽轮机操作人员进行培训，不断对操作人员对事故的应急处理能力和预判能力进行提高。要提高瓦温、压力、振动、回油温度等方面的监督力度，将预防作为控制的重点，进而对设备的安全性进行提升。最后，要提高对检修过程的控制，确保检修质量。

3.2气流激振动的管理措施

（1）要进行汽轮机高调门流量特征试验，对阀门的调节品质进行优化，根据阀门的具体特征和轴承振动的情况，调节阀门的顺序。（2）机组升负荷时，运行人员要监控好轴系振动，在轴承振动突然升到的报警值后，立即对机组负荷进行降低，或者进行真空调整。（3）利用检修机组的机会，对一号轴承进行提升，提升轴承的干扰抵抗能力。（4）对转子中心和气缸进行调整，防止气缸中心和转子运行中出现偏移的情况。（5）提高隔板和转子直接的轴向间隙，在静叶、喷嘴和动叶之间轴向间隙不断增加的情况下，可以明显降低气流涡动的激振力，降低汽轮机的内效率。

3.3其他方面的改进措施

（1）油箱的控制。首先，要根据规定的要求进行油系统和油箱的控制，要始终将油控制在规定的范围中，定期对油箱进行检查，油量比较少的时候，要及时进行补油，定期对油箱进行滤水、放水和滤油操作。其次对油箱排烟风机的入口门进行调整，要保证油箱中有一定的负压，对油气进行正常分离。最后，做好油质的分析工作，定期根据具体的运行情况，对出现的异常问题进行处理。避免进一步恶化的情况出现。（2）辅助油泵的控制。在辅助油泵方面，在汽轮机停机和启动前，要对所有的辅助油泵进行试转，并将启动前的油泵连锁试验做好。此外，要定期对油泵进行检查和试验，保证辅助油泵运行的稳定性。（3）冷油器。在操作冷油器前，要严格按照相关的监护制度进行开展，在切换或停用冷油器时，控制好润滑油的油压，并保证油温的平稳性，不允许有大的波动出现。最后，要防止冷油器的油侧有冷却水进入，油压稍微高出冷却水压即可。此外，在机组停机和启动时，要防止冷却水压出现大的波动，定期对冷油器漏水的情况进行检测。（4）要将汽轮机的轴承温度控制在合理的范围中，当温度突然上升时，要进行停机检查。此外，当有轴瓦断油或水冲击等突发事件出现时，要及时停机检查，将隐患进行消除后，才可以重新进行运转。此外，要对检修工艺进行提升，避免维修不到位，出现轴承损坏的情况。（5）机组运行的过程中，相关人员要做好轴承振动的监视工作，当轴承振动出现报警或突然升高的情况时，要立即将机组负荷降低到升高前的负荷。