汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁線圈狀況及金相組織分析

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁線圈狀況及金相組織分析

1999年5月28日，上海門電氣工程廠2號機(jī)突然發(fā)生了輕微的磁強(qiáng)保護(hù)操作，當(dāng)時沒有其他異常信號。事后檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵磁線圈引出線接頭斷裂,經(jīng)修復(fù)后,機(jī)組于7月18日并網(wǎng)發(fā)電。由于機(jī)組運(yùn)行時間不足一個大修周期,故對接頭斷裂原因的分析顯得尤為重要。1銅片18片焊接法發(fā)電機(jī)故障時負(fù)荷為70MW,無功為13.9Mvar,勵磁電流為430A,故障后用內(nèi)窺鏡檢查轉(zhuǎn)子,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵磁線圈引出線接頭斷裂。該引出線接頭是由2組共36片銅片(18片/組)組成,銅片厚度0.2～0.24mm,根部先用釬焊方法與引出線座子分別連接,然后36片銅片匯集一起彎成象“鐮刀”形狀,端部再用釬焊方法將36片銅片焊成一體(見圖1)。引出線接頭斷裂位置分別位于:A銅片彎頭背部(圖2、圖3)。B靠近釬焊根部,即銅片起彎點(diǎn)(圖2)。C銅片端部,即近釬焊區(qū)(圖4)。檢查發(fā)現(xiàn),在斷裂的銅片中,大部分靠外層位置,另外還發(fā)現(xiàn)銅片斷裂都是由銅片兩邊首先開裂并向中心擴(kuò)展,最后導(dǎo)致斷裂。這可從4號機(jī)內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果加以證實(shí)(見圖5)。2錯誤分析為了找出轉(zhuǎn)子勵磁引出線斷裂原因,我們主要從斷口掃描電鏡(SEM)檢查、金相組織檢查以及化學(xué)成份分析三個方面著手。2.1疲勞輝紋及其斷口檢查用S360型掃描電鏡分別對上述斷裂銅片的斷口檢查。A與C部位斷口表面均呈有多量橫向2次裂紋,裂紋周圍具有疲勞輝紋特征。B處部位,在銅片表面起彎點(diǎn)處可以發(fā)現(xiàn)最外層一片銅片裂紋從邊緣開裂并向中心擴(kuò)展的形貌,經(jīng)測量裂紋長度達(dá)4.8mm。對B處斷口進(jìn)行檢查,斷口表面呈有2次裂紋,裂紋呈沿晶特征,斷面具有疲勞輝紋特征,局部區(qū)域疲勞輝紋呈波浪式以及縱橫交錯走向。以上分析說明斷裂為疲勞所致。2.2顯微硬度顯微硬度金相組織測試工作委托“中國上海測試中心有色金相行業(yè)測試點(diǎn)”進(jìn)行,檢測項(xiàng)目主要是金相組織分析,晶粒度、顯微硬度。檢測部位:銅片彎頭背部(A),釬焊根部以及這次換上去的材料。經(jīng)檢查,銅片彎頭背部、釬焊根部的晶粒度均比這次換上去的材料粗大;換上去的材料的硬度比其他兩部位的硬度高;銅片彎頭背部、釬焊根部兩部位平面經(jīng)金相檢查,發(fā)現(xiàn)沿晶裂紋、低熔共晶組織,這兩個特征說明銅片在釬焊時溫度過高,有過燒現(xiàn)象。2.3化學(xué)成型分析取未使用過的原材料及已損壞的銅片分別進(jìn)行化學(xué)成份分析,結(jié)果列于表1?；瘜W(xué)成份分析結(jié)果,這次換上去的材料與損壞銅片材質(zhì)相當(dāng)于G5231-85標(biāo)準(zhǔn)中2號銅。3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子投運(yùn)后,其運(yùn)行的系統(tǒng)可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子啟停閘電燃機(jī)電廠2號機(jī)從1996年10月27日投運(yùn)至1999年5月28日故障,運(yùn)行了2.5年,啟停次數(shù)908次,由于引出線接頭是軟銅片組成,在連接時又彎成鐮刀狀,由于彎曲部分太長,在機(jī)組啟停過程時,彎曲部分受到離心力的作用而擠壓和松弛。而護(hù)環(huán)在啟停過程中也要受離心力的作用擴(kuò)張和收縮,對接頭和引出線產(chǎn)生壓力和拉力。另外,機(jī)組在運(yùn)行中還要受到低頻振動的影響。因此,引出線接頭在這多種應(yīng)力作用下,在軟銅片接頭彎曲幅度大的部位易受上述疲勞作用首先開裂。這從4號機(jī)內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果和2號機(jī)引出線斷裂位置得到證實(shí)。而軟銅片接頭的部分?jǐn)嗔褜?dǎo)致剩余筒片應(yīng)力加大,加快了銅片的疲勞損壞,最后導(dǎo)致銅片全部斷裂。根據(jù)GB/T7064-1996透平型同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求,一般情況下,轉(zhuǎn)子在它的使用壽命期限內(nèi),在機(jī)械上應(yīng)能承受的啟動次數(shù)不少于3000次。對兩班制調(diào)峰運(yùn)行的電機(jī),轉(zhuǎn)子在它的使用壽命期限內(nèi),在機(jī)械上應(yīng)能承受的啟動次數(shù)不少于10000次。另外IEC34-3對10MVA及以上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)也有規(guī)定,對轉(zhuǎn)子的機(jī)械設(shè)計(jì)在它的壽命期內(nèi)應(yīng)能承受不少于3000次的啟動次數(shù)。對燃汽輪機(jī)啟動次數(shù)也有規(guī)定,每年帶基本負(fù)荷的啟動次數(shù)不超過500次。閘電燃機(jī)2號機(jī)自投運(yùn)以來,運(yùn)行了9500h,啟停次數(shù)908次。啟停次數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求,說明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求沒有符合IEC和國家標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)制造上存在缺陷。另外,根據(jù)合同,燃機(jī)的大修周期在20000h左右,發(fā)電機(jī)的大修周期則更長,就按燃機(jī)的大修周期計(jì)算,目前機(jī)組只運(yùn)行了一半時間,而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁引出線接頭卻出現(xiàn)了斷裂故障,作為制造廠在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到這一點(diǎn),發(fā)電機(jī)應(yīng)至少堅(jiān)持1～2個大修周期,如考慮到引出線使用壽命不長,引出線接頭也應(yīng)考慮便于檢修,方便檢查和維護(hù)。而該機(jī)的結(jié)構(gòu)對引出線檢查是相當(dāng)不方便的,尤其不便進(jìn)行檢修維護(hù)。另外,在轉(zhuǎn)子修理中,勵磁線圈匝間的聯(lián)接排有受力扭曲現(xiàn)象(圖6),說明此聯(lián)接結(jié)構(gòu)也有問題。4機(jī)組啟停導(dǎo)致銅片抗起硬(1)斷口掃描電鏡檢查,引出線接頭斷裂均屬疲勞損壞。(2)金相組織檢查結(jié)果表明,原材料與損壞銅片金相組織有明顯差異,主要表現(xiàn)在晶粒長粗、硬度下降并出現(xiàn)低熔共晶組織及微裂紋,這是純銅片材料在受到過高溫度和過燒后固有的特征。由于銅片在釬焊時溫度過高,有過燒現(xiàn)象,導(dǎo)致銅片金相組織出現(xiàn)了異常特征,使銅片材料強(qiáng)度下降,運(yùn)行中又受各種應(yīng)力作用,最終導(dǎo)致銅片過早疲勞損壞。(3)根據(jù)斷裂位置分析,機(jī)組在運(yùn)行中或起停時,銅片彎頭由于不斷受到彎曲作用,尤其是位于外面幾層的銅片相對來說彎曲幅度比較大,故受到的拉應(yīng)力也大,在長期彎曲應(yīng)力作用下,容易產(chǎn)生疲勞。另外,銅片斷裂都是由銅的兩邊首先開裂,主要與運(yùn)行中銅片受軸向應(yīng)力影響有關(guān)。(4)由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁線圈引出線在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上存在缺陷,軟銅片接頭彎曲部分太長,在啟停過程中受離心力和低頻振動作用過早產(chǎn)生疲勞,機(jī)組在運(yùn)行了9500h后就出現(xiàn)了故障,運(yùn)行時間只有半個大修周期,不能保證堅(jiān)持1～2個大修周期。而且機(jī)組啟停次數(shù)為908次,也小于IEC和國標(biāo)的規(guī)定的啟動次數(shù)。另外,該機(jī)型轉(zhuǎn)子引線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,也不便于檢修中進(jìn)行維護(hù)。5對帶應(yīng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)(1)對接頭釬焊工藝的質(zhì)量如何保證不過燒,制造廠工藝對此應(yīng)有保證。(2)該引出線接頭連接方式無法保證螺釘頭固定位置準(zhǔn)確,在釬焊后可能會對引出線產(chǎn)生一個附加應(yīng)力(扭力),因此該連接方式有待改進(jìn)。(3)對另外三臺(1、3、4號)發(fā)