葉片斷裂事故的分析與處理

葉片斷裂事故的分析與處理

0次技術(shù)改造后機(jī)組的振動(dòng)情況撫順石油公司6號(hào)機(jī)組為cc25-90/10/1.2雙抽冷式機(jī)械。該機(jī)組1989年安裝投運(yùn),2001年進(jìn)行第二次技術(shù)改造,同時(shí)對(duì)部分葉片進(jìn)行更換。機(jī)組運(yùn)行狀況一直比較平穩(wěn),振動(dòng)水平在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。2004年機(jī)組進(jìn)行揭缸大修時(shí)發(fā)現(xiàn)第19級(jí)動(dòng)葉片損壞嚴(yán)重。為了解決此次事故,做了一系列的試驗(yàn)和分析,最終成功地找到了事故的產(chǎn)生原因和適當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法。1動(dòng)葉片組織結(jié)構(gòu)機(jī)組的第19級(jí)是次末級(jí),共有120片動(dòng)葉片,材質(zhì)為2Cr13不銹鋼。葉片工作部分高度313mm,葉片平均直徑1488mm。葉根為叉形葉根,葉根鉚釘材質(zhì)為25Cr2MoVA。拉筋材質(zhì)為1Cr13不銹鋼,直徑為8mm和12mm兩種。轉(zhuǎn)子第19級(jí)動(dòng)葉片中,1片動(dòng)葉片斷裂,5片動(dòng)葉片開口,12片動(dòng)葉片出汽邊被打成嚴(yán)重變形,2片動(dòng)葉片變形較輕,2片動(dòng)葉片經(jīng)過著色檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有裂紋,斷裂葉片的拉筋拉壞,轉(zhuǎn)子第19級(jí)葉片的下一級(jí)隔板上有劃痕。從汽輪機(jī)看向發(fā)電機(jī)方向,以雙拉筋連在一起的葉片定為一組,斷裂葉片所在組為第一組,斷裂葉片為第1片葉片,順時(shí)針分組,共計(jì)16組。其中2、6、10、14組為9片葉片一組,其余12組均為4片葉片一組。5片開口動(dòng)葉片分別為第14組第1、2、3片葉片和第15組第6、7片葉片。14片變形動(dòng)葉片分別為第14組第4、5、6、7、8片葉片和第15組第1、2、3、4、5片葉片以及第16組第2、3、4、5片葉片。經(jīng)著色檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的兩片有裂紋葉片分別位于第4組第1片葉片和第16組第1片葉片。第4組第1片葉片在出汽邊有一橫向裂紋,距葉頂約220mm,長(zhǎng)約30mm。第16組第1片葉片在出汽邊也有一橫向裂紋,距葉頂約210mm,長(zhǎng)約10mm左右。斷裂葉片(第1組第1片葉片)斷為三部分,斷脫的兩部分在下汽缸內(nèi)和下一級(jí)隔板內(nèi)找到。事故可以斷定為第1組第1片葉片、第4組第1片葉片和第16組第1片葉片首先產(chǎn)生疲勞裂紋,繼而引發(fā)第1組第1片葉片斷裂,打傷其余19片葉片所致(見圖1)。2試驗(yàn)結(jié)果的基本表征動(dòng)葉片斷裂原因很多,例如:動(dòng)葉片材質(zhì)不合格;動(dòng)葉片振動(dòng)特性在設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行中存在差異導(dǎo)致動(dòng)葉片共振;葉片的結(jié)構(gòu)不合理,動(dòng)應(yīng)力集中;葉根設(shè)計(jì)不合理,動(dòng)強(qiáng)度不足;制造時(shí)在圓角、倒角處的制造精度不夠,運(yùn)行中易產(chǎn)生微裂紋;裝配、安裝不當(dāng)引起葉根松緊不一;運(yùn)行中汽輪機(jī)出力或汽缸流量超過設(shè)計(jì)限額;蒸汽濕度過大或汽缸進(jìn)水造成水擊;蒸汽品質(zhì)不好,易形成腐蝕等。在分析事故原因的過程中需要根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況具體分析。分析過程如下:(1)對(duì)損壞葉片進(jìn)行光譜分析發(fā)現(xiàn),葉片材質(zhì)為2Cr13不銹鋼,與圖紙上一致。但是,葉片材質(zhì)中碳和氧的含量屬于正常偏高。(2)從損壞葉片上刮取垢樣進(jìn)行化驗(yàn),化驗(yàn)結(jié)果表明:垢物主要是由SiO2類的微晶體組成,不存在NaOH和NaCl產(chǎn)物,這說(shuō)明汽水品質(zhì)合格,不存在腐蝕斷裂的可能性。(3)由于發(fā)生斷裂的葉片為第19級(jí),而與其相鄰的第18、20級(jí)葉片均正常,從而可以初步排除末級(jí)葉片末級(jí)濕度大,長(zhǎng)期運(yùn)行造成末級(jí)葉片水擊產(chǎn)生疲勞斷裂的可能。(4)由于僅有第19級(jí)葉片損壞,而其它各級(jí)葉片正常的現(xiàn)象,還可排除有水突然進(jìn)入汽缸發(fā)生水沖擊和主蒸汽含水的可能。但我們還是對(duì)機(jī)組低加汽側(cè)疏水系統(tǒng)進(jìn)行了低加水側(cè)灌水泄漏試驗(yàn),結(jié)果正常,從而排除了汽側(cè)疏水系統(tǒng)異常,使水倒灌入汽缸而引起葉片斷裂事故的可能性。(5)對(duì)斷裂葉片的斷口進(jìn)行了宏觀和微觀觀察。宏觀斷口表明:斷口具有明顯的疲勞特征,葉片出汽邊為疲勞源區(qū),進(jìn)汽邊為快速斷裂區(qū),中間部分為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。斷口在放大的狀態(tài)下,可以見到與裂紋擴(kuò)展方向相垂直的貝殼線。在電鏡下還可以看到表征疲勞紋擴(kuò)展的疲勞輝紋。另外,對(duì)斷口進(jìn)行能譜分析,可以證明疲勞源區(qū)無(wú)腐蝕產(chǎn)物及腐蝕坑的存在。經(jīng)著色檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的兩片有裂紋葉片則是屬于金屬疲勞產(chǎn)生的,外觀未發(fā)生變形。(6)對(duì)第19級(jí)葉片的振動(dòng)特性進(jìn)行了動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)頻率測(cè)試分析。此次動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)頻率試驗(yàn)采用自振法。將傳感器搭在動(dòng)葉片的出汽邊,用橡皮錘沿切向敲擊動(dòng)葉片頂部或圍帶來(lái)激振動(dòng)葉片,使動(dòng)葉片做自由衰減振動(dòng),傳感器將所拾到的振動(dòng)信號(hào)輸入小野頻譜分析儀及示波器來(lái)進(jìn)行頻譜分析,最后經(jīng)過分析和計(jì)算得出動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)頻率。主要計(jì)算公式如下:動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)頻率分散率計(jì)算公式:Δf=2(fmax?fmin)fmax+fmin×100%Δf=2(fmax-fmin)fmax+fmin×100%式中,△f為動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)頻率分散率;fmax為該級(jí)動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)靜頻率最大值,Hz;fmin為該級(jí)動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)靜頻率最小值,Hz。動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)動(dòng)頻率計(jì)算公式:fd=Φt?f2+B?n????????√fd=Φt?f2+B?n式中,fd為動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)動(dòng)頻率,Hz;f為動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)靜頻率,Hz;n為汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速,r/min;B為動(dòng)葉片切向A0型振動(dòng)動(dòng)頻系數(shù),B=0.72Dl?1B=0.72Dl-1;D為該級(jí)動(dòng)葉片平均直徑,m;l為該級(jí)動(dòng)葉片工作部分高度,m;Φt為溫度修正系數(shù),Φt=Et/E?????√Φt=Et/E;Et為動(dòng)葉片工作溫度下的彈性模量,MPa;E為動(dòng)葉片試驗(yàn)溫度下的彈性模量,MPa。第19級(jí)動(dòng)葉片的靜頻率見表1。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以得到整級(jí)葉片切向A0型振動(dòng)的頻率分散率為20.9%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根據(jù)《汽輪機(jī)調(diào)頻葉片振動(dòng)強(qiáng)度安全準(zhǔn)則》得到的整級(jí)葉片切向A0型振動(dòng)的頻率分散率應(yīng)小于或等于8%的要求。同時(shí),根據(jù)《汽輪機(jī)調(diào)頻葉片振動(dòng)強(qiáng)度安全準(zhǔn)則》,本級(jí)動(dòng)葉片的動(dòng)頻率不應(yīng)在300±7.5Hz范圍內(nèi)。現(xiàn)在第15組葉片的靜頻率為293Hz,其動(dòng)頻率為303.1Hz,不符合上述規(guī)定。經(jīng)分析是由于有部分分組的拉筋開焊、葉根緊力不足造成的。3次職業(yè)調(diào)濕機(jī)葉片損傷的頻率分散通過以上現(xiàn)象可以得出以下結(jié)論:(1)葉片材質(zhì)化學(xué)成分合格,但是葉片材質(zhì)中C和O的含量均偏高,使葉片的韌性降低,從而也降低了葉片的抗疲勞應(yīng)變的能力。(2)葉片的斷裂不是由腐蝕而引起的。(3)葉片的斷裂是由疲勞引起的。(4)葉片斷裂是由葉片頻率不合格造成葉片振動(dòng)疲勞引起的。在第一次葉片調(diào)頻處理時(shí),將第2、9、10、11、15、16六組進(jìn)行調(diào)頻處理,即將動(dòng)葉片開焊的拉筋重新進(jìn)行補(bǔ)焊,更換部分銷釘。調(diào)頻處理后的整級(jí)葉片切向A0型振動(dòng)的頻率結(jié)果見表2。從調(diào)頻結(jié)果看到頻率分散率為22.3%,仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8%,未見改善。造成葉片組頻率分散率大的主要原因是第1、2、15、16組葉片頻率低于300Hz。尤其是第16組葉片頻率僅為263Hz。但此時(shí)已沒有用來(lái)調(diào)整葉根緊力的加厚葉片了。于是只有取下6片葉片返廠處理。用葉片根部貼合面表面施銀焊的措施來(lái)增加葉片厚度,提高安裝緊力。葉片根部貼合面表面施銀焊后,6片葉片根部貼合面大約增厚0.5mm。葉根表面增厚后的葉片頻率見表3。第二次調(diào)頻后的葉片頻率分散率為6.59%,完全達(dá)到頻率分散率標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)頻后的葉片最低頻率是308Hz,其動(dòng)頻率為317.7Hz,達(dá)到了避開300Hz±7.5Hz的要求。4u3000葉片振動(dòng)造成的錯(cuò)誤由于葉根緊固力不足造成葉片斷裂的情況在機(jī)組運(yùn)行中較少出現(xiàn)。此次事故產(chǎn)生的原因通過分析可以認(rèn)定是由于2001年技術(shù)改造時(shí),整級(jí)葉片重新安裝,安裝質(zhì)量不佳,導(dǎo)致葉片頻率共振安全裕度太小,機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生葉片振動(dòng),使葉片組產(chǎn)生疲勞裂紋,最終導(dǎo)致葉片斷裂。經(jīng)過對(duì)6片葉片根部貼合面表面施銀焊加