汽轮机调节级动叶片断裂事故分析及处理

　收稿日期:2006201209

　作者简介:孙为民(19662),男,河南郑州人,副教授,现从事汽轮机设备的教学和科研。

汽轮机调节级动叶片断裂事故分析及处理

孙为民1

,李留轩

2

(1郑州电力高等专科学校,郑州450004;2洛阳华润热电有限公司,洛阳471900)

摘要:针对50MW 汽轮机调节级动叶片断裂的事故原因进行了分析和研究,并根据当前机组情况选用了合理的处

理方案。

关键词:汽轮机;叶片断裂;处理方案分类号:TK267 文献标识码:B 文章编号:100125884(2006)0620458202

Processing and Fault Analysis ofMoving B lades Cripp ing of Steam Turbine Governing Stage

S UN W ei 2m in 1

,L IL iu 2xuan

2

(1Zhengzhou Electric Power College,Zhengzhou 450004,China;

2Luoyang China Res ourcus Ther moelectric Company L i m ited,Luoyang 471900,China )

Abstract:The fault reas ons of moving blades cri pp ing of steam turbine governing stage were analyzed and studied,and based on the unit state,the paper choosed reas onable sche mee of treat m ent .Key words:steam turb i n e;bl ades cr i pp i n g;schem ee of trea t m en t

0　前　言

某发电厂有两台50MW 汽轮发电机组,机组型号为C50-8.83/1.3。1号机2004年1月投入运行,2号机2004年4月投入运行。2004年6月4日,2号机组振动突然加大,12日开缸检查,发现第1级动叶片(调节级)3处共6片从根部断裂,转子返制造厂修理。

根据当时机组运行及叶片事故情况,制造厂家会同运行厂家对事故叶片进行了整级更换。更换时根据断叶片事故分析对叶片成组焊接剖口结构进行了改进,并增加了叶根侧部剖口焊。

2004年8月5日,2号机组振动再次出现异常,再次停机开缸检查,发现第1级动叶片(调节级)又有3处共6片从根部断裂,同时有部分叶片出现裂纹。断口形式和部位与第一次断口发生了较大变化,但断纹基本相似。另外,第2、3、4级动叶型面部分有不同程度的损伤,末级叶片有3片顶部不同程度地向外突出变形。

1　原因分析

1.1　设计分析

该机组调节级所用叶型为3.4061,叶根为TG22,该叶片从上世纪60年代开始在我国50MW 高温高压汽轮机调节级上广泛采用,是一种成熟结构。制造厂在50MW 抽汽式汽轮机上从上世纪90年代初期开始使用,并根据机组运行工况进行了适当调整,使用情况一直良好。1.2　结构强度分析

该机组调节级动叶片材料为1Cr11MoV,节圆直径1100

mm,叶片数156个,汽道高度35mm,叶片宽度35mm,叶根采用TG22型T 型叶根,叶片顶部自带围带,2片叶片成组,采用上、下V 型剖口焊接,围带焊接前厚8mm,剖口深6.5mm,叶片安装好后,围带加工至中间9mm 宽,厚6.1mm,两侧厚4.3mm 。

该叶片作为调频叶片考核,其A 0型计算静频为4514Hz,所配喷嘴当量数为79.4,激振频率为3950Hz,频率避开率为14.3%,在型线底部的汽流弯应力为4.5M Pa (二阀开),其余应力均远低于标准考核值。1.3　叶片断裂原因初步分析

第一次采用2片成组,在围带处焊接和在叶片底部开坡口焊接,叶片的振动强度基本符合有关的技术标准和行业规范要求,但叶片的切向振动频率和轴向振动与激振力频率的避开率不大,考虑到调节级叶片变工况运行条件和叶片装配在叶轮上的实际松紧状况,当振动下传时,叶片组的切向振动模态和轴向振动模态与喷嘴激振力频率发生共振或接近共振,导致叶片中的动应力过大,造成疲劳破坏。

第二次采用2片成组,增加叶根匹配面焊接,避免第一阶切向振动模态的共振,轴向振动频率与激振力频率的避开率也有所改善,但轴向振动频率与激振力频率的避开率仍不是很大。焊接的热影响区造成叶片材料抗疲劳的能力降低和焊接原因引起的初始裂纹,加速了叶片的疲劳损坏。因此从振动应力的来源来看第一次和第二次的断裂有不同之处。

通过对TG22型叶片根部断裂金相检验分析,结论如下:(1)叶根的断裂属于脆性断裂,裂纹扩展速度快,宏观断口上无明显塑性变形。

(2)裂纹源位于两叶根靠拢部位的焊区δ铁素体带处,

第48卷第6期

汽　轮　机　技　术Vol .48No .62006年12月

T URB I N E TECHNOLOGY

Dec .2006

这里既是强度弱化区,又是焊缝与母材截面不连续部位的应

力集中处。

(3)裂纹主要以沿晶方式扩展,且环境介质的氧化加速了裂纹的扩展与腐蚀疲劳产生。

(4)叶片断裂机制主要以解理断裂为主,并兼有准解理断裂的混合。

(5)叶片服役期间若蒸汽温度控制不当,引起了水冲击,使振动加剧,还有叶轮实际运行转速过限,都会促使裂纹的早期出现。

(6)叶片基体组织中晶界上的夹杂物也是应该控制的,这需要注意锻造时温度不能提高,且高温下停留时间也不宜过长,若控制不得当,不但晶界会出现夹杂物,δ铁素体也会增多并出现聚集,从而降低基本材料的强度和断裂韧性。

2　处理方案及分析

根据机组情况,可有3种处理方案。

(1)用3片成组焊接方式更换原有叶片;

(2)采用2片成组电子束方式更换原有叶片;

(3)采用调整喷嘴数,重新设计调节级的方式更换。3种处理方案分析比较如下。2.1　用3片成组焊接方式

该方案吸收了前2片断裂的教训,改进依据如下:

(1)3片成组焊接后,可将叶片的A 0型静频率从4514Hz 提高到5090Hz,在激振力频率保持不变的情况下,计算的避开率可从14.3%提高到28.9%。

(2)顶部加装了燕尾围带。该结构可有效增加叶片顶部阻尼,这是目前各汽轮机厂广泛采用的一种减少动叶振幅的有效方法。

(3)增加叶根宽度到26mm (原为22mm )该方法可在一

定程度上增强叶根静强度和刚度,尤其增强叶片抵抗“Z ”型振动的强度。另外可以避开第1阶切向振动频率,而且明显提高了叶片组的基本轴向振动频率。改进时,在工艺上采取一些措施,例如提高叶片组叶根和另外叶片组叶根间的过盈,叶根和轮缘配合紧度,降低振动的下传速度。2.2　采用两片成组电子束焊方式

电子束焊是一种真空焊,有效避开了常规焊接应力,同时在该结构顶部加装燕尾围带,强度性能较好。该结构因与两片成组手工焊接结构是同一数学模型,对前面出现的断叶片原因没有根本改善。2.3　采用调整喷嘴数

调整喷嘴数可有效改变激振频率,理论上是解决问题的一种有效方案,但存在以下几个方面的问题。

(1)受目前汽缸、转子结构限制,改变当量喷嘴数的幅度受到很大限制。

(2)必须从汽动和热力计算方面重新设计,对机组的热力性能可能带来不利影响,且时间较长,约需3个月～6个月。

(3)全新设计没有经过运行检验,存在较大的不确定风险。

综合以上3种方案,从时间、实际经验和现有条件,确定选用第1种方案。

3　结　论

从改造处理后运行至今,一切良好,说明用3片成组焊接方式更换原有叶片是合理的。

(上接第421页)

汽器凝结下来的凝结水及系统补水被喷出后,其含氧量的80%～90%就已经被脱离出来,完成了第一步除氧。

(2)空冷凝汽器凝结下来的凝结水及系统补水被喷出后,在排汽联合装置内淋洒下降的过程中,和引入的汽轮机低压缸排汽接触而被加热,完成了第二步除氧。

(3)空冷凝汽器凝结下来的凝结水和系统补水完成第二步除氧后,流经扰流板,被引入的汽轮机低压缸排汽进一步加热除氧,并消除了大部分凝结水过冷度。

(4)空冷凝汽器凝结下来的凝结水、系统补水与末级低压加热器的正常疏水进行热交换,完成了深度除氧。

(5)将喷嘴壳体上的抽真空管道与系统抽真空管道相连,将析出的氧气及不凝结气体抽出。

(6)在各个除氧环节设置取样装置,可以时时检测除氧结果。

经过以上的除氧措施,排汽联合装置凝结水箱的凝结水出口含氧量可控制在40ppb 以下,过冷度小于1℃。完全满足相关的辅助设备安全运行和使用寿命的要求。

引进的ST ORK 技术率先用于通辽电厂600MW 空冷机组,目前该机组已经安装完成。

3　结束语

通过设计内置式除氧装置、凝结水箱一体化的排汽联合装置,不仅可以更好地满足用户要求,减少设计院的布置困难,减少电厂的投资成本,保证相关的辅助设备安全运行和使用寿命的要求;还可以大大提高设计、制造单位技术水平,有助于拓宽产品的应用范围;在国际、国内开拓更广阔的市场,创造可观的经济效益。

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