汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運(yùn)行安全措施

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1、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運(yùn)行安全措施 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運(yùn)行安全措施 Cause Analysis of Cracks in Steam Turbine Ro

2、tor and Measures for Operation Safety 王治國(國電一五○發(fā)電廠，河北石家莊056400) 　摘　要：介紹了老機(jī)組轉(zhuǎn)子發(fā)生裂紋的原因及針對設(shè)備缺陷應(yīng)采取的措施，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；裂紋；原因分析 Abstract：This paper introduces cracks found on the rotor of an old power generating unit. This paper tells us why they developed and what operational measures should

3、be taken to ensure safe operation of this equipment. Keywords：steam turbinerotorcrackcause analysis 1裂紋情況 河北省南部電網(wǎng)某廠#2機(jī)為上海產(chǎn)單缸沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，1972年6月投產(chǎn)，容量50 MW，型號為N5090，運(yùn)行至1986年，更換了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。2003年10月，在該機(jī)組大修的過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子調(diào)速級及汽封處發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖1。 經(jīng)河北省電力研究院鍋檢中心對該處裂紋進(jìn)行深度測量，結(jié)果為：A處裂紋深度13.6 mm，B處4.4mm，C處3.5 mm。 2原因分析 該缺陷嚴(yán)重

4、了影響機(jī)組的安全運(yùn)行，排除制造因素，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋主要是由于交變熱應(yīng)力引起的金屬疲勞損傷超出了材料的屈服極限而造成的，原因分析如下。 a. 隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，該廠在20世紀(jì)90年代初成為河北省南部電網(wǎng)的主要調(diào)峰廠之一，機(jī)組啟/停次數(shù)增加，造成低周熱疲勞率增加，機(jī)組在多次交變應(yīng)力作用下，引起金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的發(fā)展，從而造成金屬熱疲勞，引發(fā)金屬裂紋。 b. 機(jī)組啟動(dòng)過程中暖機(jī)時(shí)間短，熱應(yīng)力大。該機(jī)組啟動(dòng)時(shí)存在負(fù)差脹過大的缺陷，為控制差脹，保證機(jī)組的正常順利啟動(dòng)，從沖車到機(jī)組接帶初始負(fù)荷的時(shí)間比較短，蒸汽流量快速增大，加劇金屬溫升，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子尤其是高調(diào)門部位和高壓側(cè)軸封處熱應(yīng)力較大；

5、另外，根據(jù)調(diào)度的預(yù)計(jì)負(fù)荷安排，從并網(wǎng)到帶滿負(fù)荷，暖機(jī)時(shí)間明顯不足，這些都會(huì)加大轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力。 c. 冷機(jī)的鄰機(jī)啟動(dòng)對轉(zhuǎn)子的損壞程度尤其大，在用額定參數(shù)的蒸汽沖車時(shí)，蒸汽會(huì)在金屬表面進(jìn)行劇烈的凝結(jié)放熱，使汽缸和轉(zhuǎn)子外表溫度急劇上升，尤其是轉(zhuǎn)子加熱面積大，升溫更快，轉(zhuǎn)子表面所受的熱壓應(yīng)力就更大，當(dāng)熱壓應(yīng)力超過金屬材料的屈服極限后，就會(huì)在該處產(chǎn)生局部塑性變形。隨著轉(zhuǎn)子的不斷加熱，其承受的熱應(yīng)力減小，但塑性變形不會(huì)隨著轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的減小而自行恢復(fù)，它在周圍彈性區(qū)的影響下會(huì)出現(xiàn)殘余拉伸應(yīng)力，在高溫條件下，該殘余應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小，即金屬松弛現(xiàn)象，尤其在軸徑最大的前汽封和調(diào)節(jié)級處，這種金屬變形現(xiàn)象更明顯

6、。若鄰機(jī)啟動(dòng)次數(shù)增加，其損壞程度更加嚴(yán)重，這樣轉(zhuǎn)子表面很快就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。 d. 機(jī)組超速試驗(yàn)使轉(zhuǎn)子裂紋加劇。在做超速試驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)子離心力加大，停下來后產(chǎn)生泊桑效應(yīng)，每多做一次超速試驗(yàn)對機(jī)組轉(zhuǎn)子的危害就會(huì)加大一次。 e. 機(jī)組消缺時(shí)，需將汽缸溫度降到很低，強(qiáng)制冷卻汽輪機(jī)，使汽輪機(jī)帶很少的負(fù)荷， 到汽輪機(jī)的最后幾級，甚至變成了鼓風(fēng)機(jī)，因機(jī)組鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量帶不走，溫度很高，而蒸汽處于低溫、低壓狀態(tài)，使機(jī)組產(chǎn)生很大的熱變形，也會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋。 f. 在1999年10月大修前，該機(jī)一直存在著機(jī)組振動(dòng)大的缺陷，大修檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第17級斷裂5片，第19級斷裂3片，掉葉片會(huì)引起轉(zhuǎn)子運(yùn)行失去平

7、衡，長期運(yùn)行造成金屬疲勞損傷，引發(fā)轉(zhuǎn)子裂紋。 g. 在機(jī)組找振動(dòng)加平衡塊過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，機(jī)組需要保持真空，仍然需要送汽封，這時(shí)對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子影響是最嚴(yán)重的。處于靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)子局部受熱，膨脹不均勻，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形，也會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋。 h. 該廠汽輪機(jī)高壓軸封的五檔泄汽泄到二段抽汽，來加熱#5高加，而在機(jī)組并網(wǎng)后到投入高加的時(shí)間里，五檔泄汽只能沿著大軸到四檔泄汽，然后通過四檔泄汽泄入#3低加。在此過程中，五檔泄汽的溫度比四檔泄汽的溫度高得多，使轉(zhuǎn)子高壓軸封處產(chǎn)生熱沖擊，造成熱疲勞，加速轉(zhuǎn)子裂紋的產(chǎn)生。  3處理方案 通過載荷工況分析，原結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力最大的位置為端

8、部彈性凹槽、葉輪過渡角等轉(zhuǎn)子截面存在突變處。經(jīng)上海汽輪機(jī)有限公司對該轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算后，初步確定2種切削方案，見表1，為轉(zhuǎn)子車削加工提供必要的理論依據(jù)。 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運(yùn)行安全措施 : 　 計(jì)算表明，圓角半徑不變時(shí)，隨著車削深度的增加，最大應(yīng)力也隨之增加；而隨著圓角半徑的增加，最大應(yīng)力隨之減小。經(jīng)比較最終選擇了方案1。經(jīng)上海汽輪機(jī)有限公司車削后提出以下建議： a. 減少不必要的啟/停次數(shù)。 b. 減緩啟動(dòng)速率，降低啟動(dòng)中溫度的變化率。 c. 盡量采用滑參數(shù)啟動(dòng)方式。 d. 避免參與啟/停調(diào)峰。 4防止措施 為了防止

9、轉(zhuǎn)子發(fā)生斷裂，在運(yùn)行上采取了以下措施: a. 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有裂紋的機(jī)組一般不參與啟/停式調(diào)峰，以減少啟/停次數(shù)，減少對機(jī)組的熱沖擊。 b. 機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)，要減慢啟動(dòng)速度，延長啟動(dòng)時(shí)間；沖車前要嚴(yán)格控制汽溫、汽壓參數(shù)，主汽溫度必須比調(diào)節(jié)級室金屬最高溫度高50～100 ℃,并且過熱度不低于80 ℃。在沖車時(shí)，適當(dāng)延長沖車時(shí)間，機(jī)組帶負(fù)荷速度減慢。 c. 在機(jī)組啟動(dòng)之前要按規(guī)定檢查各個(gè)疏水門的狀態(tài)，防止上、下缸溫差大。 d. 汽封疏水管要充分疏水，汽封汽源要與汽缸溫度匹配，汽缸溫度低于150 ℃時(shí)，使用汽平衡來汽作汽封汽源；汽缸溫度高于150 ℃時(shí)，使用三段抽汽作汽封汽源。 e. 停機(jī)后要嚴(yán)密

10、監(jiān)視汽缸溫度，防止冷水、冷汽進(jìn)入汽缸。 f. 加強(qiáng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視，保證蒸汽參數(shù)在正常范圍。當(dāng)蒸汽參數(shù)偏離允許范圍時(shí)，要及時(shí)聯(lián)系、調(diào)整，防止超溫、超壓。 g. 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)不得使用鄰機(jī)汽源啟動(dòng)。 h. 連續(xù)盤車中,若因設(shè)備檢修要求需停止連續(xù)盤車時(shí)必須經(jīng)上級部門批準(zhǔn)，盡量減少停止連續(xù)盤車的時(shí)間。 5結(jié)束語 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有裂紋的機(jī)組，在啟/停過程中應(yīng)放慢啟動(dòng)速度，延長啟動(dòng)時(shí)間，盡量減小熱應(yīng)力，以保證機(jī)組的安全。同時(shí)建立、健全機(jī)組的壽命管理體系，加強(qiáng)設(shè)備可靠性管理，這是保證設(shè)備安全之本。 河北電力技術(shù) 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運(yùn)行安全措施 :