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汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施

作者: 王振涛

  [摘要]介绍了老机组转子发生裂纹的原因及针对设备缺陷应采取的措施,以保证设备的安全运行。
  [关键词]汽轮机;转子;裂纹;原因分析
  
  一、裂纹情况
  
  河北省南部电网某厂#2机为上海产单缸冲动凝汽式汽轮机,1972年6月投产,容量50MW,型号为N5090,运行至1986年,更换了汽轮机转子。2003年10月,在该机组大修的过程中,汽轮机转子调速级及汽封处发现裂纹。经河北省电力研究院锅检中心对该处裂纹进行深度测量,结果为:A处裂纹深度13.6mm,B处4.4mm,C处3.5mm。
  
  二、原因分析
  
  该缺陷严重了影响机组的安全运行,排除制造因素,转子出现裂纹主要是由于交变热应力引起的金属疲劳损伤超出了材料的屈服极限而造成的,原因分析如下:
  
  a.随着电力行业的不断发展,该厂在20世纪90年代初成为河北省南部电网的主要调峰厂之一,机组启/停次数增加。造成低周热疲劳率增加,机组在多次交变应力作用下,引起金属材料内部微观缺陷的发展,从而造成金属热疲劳,引发金属裂纹。
  
  b.机组启动过程中暖机时间短,热应力大。该机组启动时存在负差胀过大的缺陷,为控制差胀,保证机组的正常顺利启动,从冲车到机组接带初始负荷的时间比较短,蒸汽流量快速增大,加剧金属温升,造成汽轮机转子尤其是高调门部位和高压侧轴封处热应力较大:另外,根据调度的预计负荷安排,从并网到带满负荷,暖机时间明显不足,这些都会加大转子的热应力。
  
  c.冷机的邻机启动对转子的损坏程度尤其大,在用额定参数的蒸汽冲车时。蒸汽会在金属表面进行剧烈的凝结放热,使汽缸和转子外表温度急剧上升,尤其是转子加热面积大,升温更快,转子表面所受的热压应力就更大,当热压应力超过金属材料的屈服极限后,就会在该处产生局部塑性变形。随着转子的不断加热,其承受的热应力减小,但塑性变形不会随着转子热应力的减小而自行恢复,它在周围弹性区的影响下会出现残余拉伸应力,在高温条件下,该残余应力随时间增加而减小,即金属松弛现象,尤其在轴径最大的前汽封和调节级处,这种金属变形现象更明显。若邻机启动次数增加,其损坏程度更加严重,这样转子表面很快就会产生疲劳裂纹。
  
  d.机组超速试验使转子裂纹加剧。在做超速试验过程中,转子离心力加大,停下来后产生泊桑效应,每多做一次超速试验对机组转子的危害就会加大一次。
  
  e.机组消缺时,需将汽缸温度降到很低,强制冷却汽轮机,使汽轮机带很少的负荷,到汽轮机的最后几级,甚至变成了鼓风机,因机组鼓风损失产生的热量带不走,温度很高,而蒸汽处于低温、低压状态,使机组产生很大的热变形,也会使转子产生裂纹。
  
  f.在1999年10月大修前,该机一直存在着机组振动大的缺陷,大修检查发现转子第17级断裂5片,第19级断裂3片,掉叶片会引起转子运行失去平衡,长期运行造成金属疲劳损伤,引发转子裂纹。
  
  g.在机组找振动加平衡块过程中,机组转子处于静止状态,机组需要保持真空,仍然需要送汽封,这时对汽轮机转子影响是最严重的。处于静止状态的转子局部受热,膨胀不均匀,产生较大的热应力和热变形,也会使转子产生裂纹。
  
  h.该厂汽轮机高压轴封的五档泄汽泄到二段抽汽,来加热#5高加,而在机组并网后到投入高加的时间里,五档泄汽只能沿着大轴到四档泄汽,然后通过四档泄汽泄入#3低加。在此过程中,五档泄汽的温度比四档泄汽的温度高得多,使转子高压轴封处产生热冲击,造成热疲劳,加速转子裂纹的产生。
  
  三、处理方案
  
  通过载荷工况分析,原结构复合应力最大的位置为端部弹性凹槽、叶轮过渡角等转子截面存在突变处。经上海汽轮机有限公司对该转子进行强度计算后,初步确定2种切削方案,为转子车削加工提供必要的理论依据。
  计算表明,圆角半径不变时,随着车削深度的增加,最大应力也随之增加:而随着圆角半径的增加,最大应力随之减小。经比较最终选择了方案1。经上海汽轮机有限公司车削后提出以下建议:
  
  a.减少不必要的启/停次数。
  
  b.减缓启动速率,降低启动中温度的变化率。
  
  c.尽量采用滑参数启动方式。
  
  d.避免参与启/停调峰。
  
  四、防止措施
  
  为了防止转子发生断裂,在运行上采取了以下措施:
  
  a.发现转子有裂纹的机组一般不参与启,停式调峰,以减少启/停次数,减少对机组的热冲击。
  
  b.机组在启动时,要减慢启动速度,延长启动时间;冲车前要严格控制汽温、汽压参数,主汽温度必须比调节级室金属最高温度高50℃~100℃,并且过热度不低于80℃。在冲车时,适当延长冲车时间,机组带负荷速度减慢。
  
  c.在机组启动之前要按规定检查各个疏水门的状态,防止上、下缸温差大。
  
  d.汽封疏水管要充分疏水,汽封汽源要与汽缸温度匹配。汽缸温度低于150℃时,使用汽平衡来汽作汽封汽源;汽缸温度高于150℃时,使用三段抽汽作汽封汽源。
  
  e.停机后要严密监视汽缸温度,防止冷水、冷汽进人汽缸。
  
  f.加强运行参数的监视,保证蒸汽参数在正常范围。当蒸汽参数偏离允许范围时,要及时联系、调整,防止超温、超压。
  
  g.机组冷态启动时不得使用邻机汽源启动。
  
  h.连续盘车中,若因设备检修要求需停止连续盘车时必须经上级部门批准,尽量减少停止连续盘车的时间。
  
  五、结束语
  
  发现转子有裂纹的机组,在启,停过程中应放慢启动速度,延长启动时间,尽量减小热应力,以保证机组的安全。同时建立、健全机组的寿命管理体系,加强设备可靠性管理,这是保证设备安全之本。
  
  (编辑: 丹桔)
论文来源:《活力》 2011年第5期
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