燃氣輪機負荷齒輪箱聯軸器裂紋分析

新疆西部明珠工程建設有限公司 劉順興 周勝利

燃氣輪機負荷齒輪箱聯軸器裂紋分析

新疆西部明珠工程建設有限公司 劉順興 周勝利

筆者所在單位承接某電廠1臺MS6001B型燃氣輪發電機組大修工作。于2010年11月24日檢修工作結束，11月28日啟動，燃機啟動過程中發現二瓦振速為7.8mm/s，比檢修前的2.79mm/s有明顯的增大，隨后進行加減負荷調整，振速維持在7mm/s左右。2011年1月14日發現二瓦振速持續上升，后達到12.7mm/s,燃機停機檢查，檢查發現負荷齒輪箱聯軸器斷裂。負荷聯軸器的功能是把燃機透平產生的能量傳遞給負荷齒輪箱，去驅動發電機做功。負荷聯軸器包含1個主轉矩空心管，1個電子鍍膜焊接隔板。裂紋產生在電子鍍膜焊接隔板上，呈螺旋狀。筆者對裂紋性質分析后，咨詢GE公司技術服務部，按照新的設計方案對聯軸器進行更換。本文，筆者針對該型燃氣輪機故障，作了材質和機械性能分析、宏觀斷口分析，并提出了預防措施。

一、聯軸器材質和機械性能分析

對聯軸器材質進行光譜分析，分析結果見表1。

表1 聯軸器材質化學成分和40GrNi3Mo化學成分對照（%）

根據材料所含金屬元素含量，材料類似40GrNi3Mo。經硬度檢測，實測硬度248~298HV，平均值273HV，換算為布氏硬度為269HB，符合40GrNi3Mo的性能（表2）。

表2 40GrNi3Mo機械性能

二、裂紋性質初步判斷

材質分析結果、材料硬度測量結果表明，對照材料供貨狀態機械性能，聯軸器機械性能沒有明顯的改變。根據聯軸器工作工況，結合此次大修后振動較大，運行40天后振動持續增大的特點，初步推斷為受交變載荷、局部應力集中狀態下發生的疲勞斷裂。

三、疲勞裂紋的基本特征

根據技術統計資料，在變應力工作下的零件，疲勞斷裂是最主要的失效形式之一。零件的疲勞斷裂占零件斷裂的80%。

疲勞斷裂，材料在變應力下發生斷裂時，不產生明顯的塑性變形，斷裂是突然發生的。由于疲勞斷裂有裂紋的萌生、擴展和斷裂3個階段，因此，疲勞破壞的宏觀斷口可分為疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區3部分（圖1）。對宏觀斷口進行觀察，疲勞斷裂截面可觀察到表面光滑的疲勞發展區和粗糙的脆性斷裂區。

圖1 疲勞破壞的宏觀斷口分為3個區

一般疲勞斷口在宏觀上也可粗略地分為疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區3個區域，更粗略地可將其分為疲勞區和瞬時斷裂區2個部分。由于大多數工程構件的疲勞斷裂斷口上一般可觀察到3個區域，因此，這個特征可以作為疲勞裂紋判定的一個主要依據。

四、裂紋性質分析

試斷面宏觀觀察結果表明，在裂紋掉塊部分可以觀察到較為平滑的斷面，并有水波狀的花紋，花紋方向與裂紋發展方向有45°的夾角。結果符合疲勞裂紋擴展區（疲勞裂紋擴展區通常比較平整，具有表征間隙加載、應力較大改變或裂紋擴展受阻等使裂紋擴展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣）的特征。

在其他區域，可以觀察到斷面比較粗糙，呈顆粒狀，色澤亮白，有較為明顯的脆性斷裂特征，符合疲勞裂紋瞬時斷裂區（瞬斷區則具有靜載斷口的形貌，表面呈現較粗糙的顆粒狀）的特征。

五、結論

根據聯軸器工作工況，結合此次大修后運行振動較大，運行40天后振動持續增大的特點，分析斷裂面宏觀觀察以及起始部位可以看到磨損的痕跡、壓傷、微裂紋、掉塊及帶色的粉末，判斷為振動疲勞斷裂。

為此，GE公司提出的新型聯軸器的設計方案，防止負荷聯軸器出現裂紋損傷。這種設計可以有效地提高聯軸器的抗機械應力，包括聯軸器內部隔板的抗斷裂能力。所以，我們對聯軸器進行了更換。