汽輪機轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運行安全措施

汽輪機轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運行安全措施 汽輪機轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運行安全措施 Cause Analysis of Cracks in Steam Turbine Rotor and Measures for Operation Safety 王治國(國電一五發(fā)電廠，河北石家莊056400) 摘要：介紹了老機組轉(zhuǎn)子發(fā)生裂紋的原因及針對設備缺陷應采取的措施，以保證設備的安全運行。關(guān)鍵詞：汽輪機；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 be taken to ensure safe operation of this equipment.Keywords：steam turbinerotorcrackcause analysis1裂紋情況河北省南部電網(wǎng)某廠#2機為上海產(chǎn)單缸沖動凝汽式汽輪機，1972年6月投產(chǎn)，容量50 MW，型號為N5090，運行至1986年，更換了汽輪機轉(zhuǎn)子。2003年10月，在該機組大修的過程中，汽輪機轉(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原因分析該缺陷嚴重了影響機組的安全運行，排除制造因素，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋主要是由于交變熱應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90年代初成為河北省南部電網(wǎng)的主要調(diào)峰廠之一，機組啟/停次數(shù)增加，造成低周熱疲勞率增加，機組在多次交變應力作用下，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. 機組啟動過程中暖機時間短，熱應力大。該機組啟動時存在負差脹過大的缺陷，為控制差脹，保證機組的正常順利啟動，從沖車到機組接帶初始負荷的時間比較短，蒸汽流量快速增大，加劇金屬溫升，造成汽輪機轉(zhuǎn)子尤其是高調(diào)門部位和高壓側(cè)軸封處熱應力較大；另外，根據(jù)調(diào)度的預計負荷安排，從并網(wǎng)到帶滿負荷，暖機時間明顯不足，這些都會加大轉(zhuǎn)子的熱應力。c. 冷機的鄰機啟動對轉(zhuǎn)子的損壞程度尤其大，在用額定參數(shù)的蒸汽沖車時，蒸汽會在金屬表面進行劇烈的凝結(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力就更大，當熱壓應力超過金屬材料的屈服極限后，就會在該處產(chǎn)生局部塑性變形。隨著轉(zhuǎn)子的不斷加熱，其承受的熱應力減小，但塑性變形不會隨著轉(zhuǎn)子熱應力的減小而自行恢復，它在周圍彈性區(qū)的影響下會出現(xiàn)殘余拉伸應力，在高溫條件下，該殘余應力隨時間增加而減小，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。若鄰機啟動次數(shù)增加，其損壞程度更加嚴重，這樣轉(zhuǎn)子表面很快就會產(chǎn)生疲勞裂紋。d. 機組超速試驗使轉(zhuǎn)子裂紋加劇。在做超速試驗過程中，轉(zhuǎn)子離心力加大，停下來后產(chǎn)生泊桑效應，每多做一次超速試驗對機組轉(zhuǎn)子的危害就會加大一次。e. 機組消缺時，需將汽缸溫度降到很低，強制冷卻汽輪機，使汽輪機帶很少的負荷， 到汽輪機的最后幾級，甚至變成了鼓風機，因機組鼓風損失產(chǎn)生的熱量帶不走，溫度很高，而蒸汽處于低溫、低壓狀態(tài)，使機組產(chǎn)生很大的熱變形，也會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋。f. 在1999年10月大修前，該機一直存在著機組振動大的缺陷，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，掉葉片會引起轉(zhuǎn)子運行失去平衡，長期運行造成金屬疲勞損傷，引發(fā)轉(zhuǎn)子裂紋。g. 在機組找振動加平衡塊過程中，機組轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，機組需要保持真空，仍然需要送汽封，這時對汽輪機轉(zhuǎn)子影響是最嚴重的。處于靜止狀態(tài)的轉(zhuǎn)子局部受熱，膨脹不均勻，產(chǎn)生較大的熱應力和熱變形，也會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋。h. 該廠汽輪機高壓軸封的五檔泄汽泄到二段抽汽，來加熱#5高加，而在機組并網(wǎng)后到投入高加的時間里，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)復合應力最大的位置為端部彈性凹槽、葉輪過渡角等轉(zhuǎn)子截面存在突變處。經(jīng)上海汽輪機有限公司對該轉(zhuǎn)子進行強度計算后，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)。汽輪機轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運行安全措施 : 計算表明，圓角半徑不變時，隨著車削深度的增加，最大應力也隨之增加；而隨著圓角半徑的增加，最大應力隨之減小。經(jīng)比較最終選擇了方案1。經(jīng)上海汽輪機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. 減緩啟動速率，降低啟動中溫度的變化率。c. 盡量采用滑參數(shù)啟動方式。d. 避免參與啟/停調(diào)峰。 4防止措施為了防止轉(zhuǎn)子發(fā)生斷裂，在運行上采取了以下措施:a. 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有裂紋的機組一般不參與啟/停式調(diào)峰，以減少啟/停次數(shù)，減少對機組的熱沖擊。b. 機組在啟動時，要減慢啟動速度，延長啟動時間；沖車前要嚴格控制汽溫、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50100 ,并且過熱度不低于80 。在沖車時，適當延長沖車時間，機組帶負荷速度減慢。c. 在機組啟動之前要按規(guī)定檢查各個疏水門的狀態(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，使用汽平衡來汽作汽封汽源；汽缸溫度高于150 時，使用三段抽汽作汽封汽源。e. 停機后要嚴密監(jiān)視汽缸溫度，防止冷水、冷汽進入汽缸。f. 加強運行參數(shù)的監(jiān)視，保證蒸汽參數(shù)在正常范圍。當蒸汽參數(shù)偏離允許范圍時，要及時聯(lián)系、調(diào)整，防止超溫、超壓。g. 機組冷態(tài)啟動時不得使用鄰機汽源啟動。h. 連續(xù)盤車中,若因設備檢修要求需停止連續(xù)盤車時必須經(jīng)上級部門批準，盡量減少停止連續(xù)盤車的時間。 5結(jié)束語發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有裂紋的機組，在啟/停過程中應放慢啟動速度，延長啟動時間，盡量減小熱應力，以保證機組的安全。同時建立、健全機組的壽命管理體系，加強設備可靠性管理，這是保證設備安全之本。 河北電力技術(shù)汽輪機轉(zhuǎn)子裂紋原因分析及運行安全措施 :