直接空冷機組空冷島軸流風機葉片斷裂分析

周凱

(華能銅川電廠，陜西 銅川 727100)

0 引言

華能銅川電廠一期為2臺600 MW直接空冷機組，采用NZK600-16.7/538/538型汽輪機，#1和#2機組于2007年年底通過168 h試運行。

直接空冷系統的流程為：從汽輪機低壓缸排出的乏汽，經由2根?6 000 mm的排汽管道引到廠房外，垂直上升到35 m高度后，分出8根?3 000 mm的蒸汽分配管，將乏汽引入空冷凝汽器頂部的配汽聯箱。

當乏汽通過配汽聯箱流經空冷凝汽器的翅片管束時，大量的冷空氣被軸流風機吸入，通過翅片管的外部進行表面換熱將熱量帶走，從而使乏汽凝結成水，凝結水由凝結水管收集起來排至凝結水箱，由凝結水泵升壓，送往熱力系統完成熱力循環。

每臺機組空冷島配套56臺軸流風機，每臺風機裝有5個葉片，風機葉輪直徑9.14 m，葉片設計壽命150 000 h，該風機葉片由國內某知名制造廠家供貨。空冷島軸流風機是關鍵零部件之一，其性能的優劣，不僅影響機組的經濟性，而且影響機組的可靠性。

1 #2機組風機葉片斷裂情況分析

1.1 3列7號風機葉片斷裂情況分析

2008年8月，#2機組3列7號風機4葉片破損，編號為002207和002213的2個葉片完全破碎，編號為002199和002195的2個葉片部分破裂，編號為002314的葉片外觀完好。葉片斷裂情況如圖1所示，圖中：1為002207，2為002213，3為002199，4為002195，5為002314。

圖1 #2機組3列7號風機葉片斷裂情況

從現場破損風機的斷裂面來看,只有葉片1(002207)有陳舊性創面，而這個葉片是葉輪逆時針方向的第1個破損葉片，且緊靠完好的葉片5(002314)。其余葉片的創面全部是新的，由此可以判定，葉片1(002207)是第1個失效的葉片。

定義葉片朝向管束方向的為X面，朝向地面的為O面。 葉片1(002207)斷裂面在O面上是陳舊性裂紋，表面整體平滑，有玻璃鋼粉末。X面的斷裂面為新創面，纖維整體呈放射狀，表明是在瞬間強大拉力下失效的。由此判斷，裂紋最先在O面發生并且隨時間向纖維深處延伸，到一定程度X面受力過大而造成纖維拉斷。

首先，葉片1(002207)瞬間斷裂，斷裂下來的葉片與高速旋轉的葉片2(002213)碰撞解體并造成葉片2折斷，由于葉片2吸收了大部分動能，因此剩余的碎片對葉片3(002199)和4(002195)沖擊力相對較小，葉片3(002199)和4(002195)部分破裂，葉片5(002314)沒有受到任何沖擊，所以外觀完好。

1.2 4列7號風機葉片斷裂情況分析

2008年9月，#2機組4列7號風機一個葉片斷裂,造成其他葉片被打壞。圖2所示軸徑為風機上逆時針損壞的第1個葉片 002357，葉片的O面為陳舊性創面，上有玻璃鋼粉末，X面為新創面，呈放射性。其余葉片無陳舊性創面，所以002357為第1個失效的葉片，失效后與其余葉片相撞，導致其他葉片損傷。所以，4列7號風機失效情況與3列7號風機相同。

圖2 #2機組4列7號風機葉片斷裂情況

1.3 原因初步判斷

葉片變截面是受力最集中的部位，正常工況中，葉片要承受向下的壓力，X面要承受較大的拉力，故葉片失效絕大部分是從X面開始的。

通過了解葉片制造商情況，得知該葉片制造商有超過40年的制造經驗，但從未發現過葉片由于O面原因而失效，該制造商自2005年至今制作了超過15 000個葉片，在其他現場沒有發生過葉片失效的情況。初步判斷，葉片從O面失效是由安裝時發生的異常情況引起的。

2 葉片安裝情況回顧

2007年11月，現場質量檢查人員在進行#2機組試運行前檢查時發現，葉片大部分有受損情況，輕微的有外觀劃痕，嚴重的有外觀破損等情況。檢查發現：大部分葉片表面有劃痕和磕碰痕跡；有97個葉片表面缺陷需要修復；有3個葉片受損嚴重只能報廢；有8個不銹鋼U形螺栓被更換成了安裝公司自制的鋼螺栓；有約150個不銹鋼特殊螺紋涂層的螺母被安裝公司更換成了普通螺母。部分受損嚴重葉片如圖3～9所示。檢查后，葉片制造商派人對現場外觀缺陷葉片進行了修復。

圖3 背風面嚴重破損

3 進一步原因分析

對3列7號風機葉片解體檢查發現，葉片5(002314)表面完好，無葉片失效時與其他葉片撞擊的痕跡，葉片內部支撐梁有不規則裂紋(沿葉片軸線方向長約3 m)。根據2007年11月現場檢查情況，可認為這種裂紋是由安裝過程中的異常操作引起的，這種加強肋上的裂紋會大大降低葉片的整體強度。有鑒于此，對#2機組的葉片進行詳細排查。解體檢查結果如圖10、圖11所示。

圖4 葉肩劇烈撞擊裂紋

圖5 葉片背風面劇烈撞擊裂紋

圖6 葉片背風面撞擊破損

圖7 葉片軸徑定位臺磕碰

圖8 葉片表面撞擊鋪層破裂

圖9 U形螺栓被換為普通螺栓(左)

圖10 葉片橫向鋸開

圖11 葉片鋸開后內部支撐梁裂紋

4 現場檢查結果及驗證

4.1 現場檢查結果

2008年10月，利用停機機會對#2機組進行外觀檢查，并對全部風機進行內窺鏡檢查。

(1)現場發現部分葉片受損嚴重，由于2007年11月檢查后對所有外觀進行了修復，因此這些損傷是在葉片修復之后出現的，也就是說葉片修復至今，有異常情況發生而導致了葉片損壞。后期損傷葉片如圖12、圖13所示。

圖12 后期損傷的葉片

圖13 后期損傷的葉片

(2)少數葉片外觀良好，但內部膠粘劑裂紋嚴重，部分葉片內部支撐梁有裂紋，為了進一步驗證裂紋情況，將膠粘劑裂紋嚴重的葉片解體檢查。膠粘劑嚴重裂紋葉片003843(#2機組1列7號)解體后如圖14、圖15所示。

圖14 膠粘劑裂紋

圖15 膠粘劑裂紋延伸到內部(右下角裂紋)

(3)其他外觀良好內部受損葉片如圖16、圖17所示。

圖16 內部支撐梁裂紋

經過對#2機組28臺風機的內窺鏡檢查，初步結果如下：葉片有膠粘劑裂紋，12 處；加強肋有裂紋，6處。

4.2 現場檢查結果驗證

(1)圖18給出了葉片003843現場照片和模擬試驗照片對比情況。為進一步確認葉片003843內部裂紋產生原因，采用模擬試驗方法進行驗證。將一個備品葉片鋸開后，內部結構在試驗前完好，將其從5 m高度落到地面，發現軸徑上出現類似裂紋。試驗所用軸徑部分質量約7 kg，完整30ELF質量約130 kg。

圖18 葉片003843現場照片和模擬試驗照片對比

(2)將斷裂的葉片002357軸徑切開后與有裂紋的葉片003843軸徑放在同一位置比較，發現葉片002357軸徑斷裂位置與葉片003843軸徑裂紋位置幾乎相同。002357軸徑與葉片003843軸徑裂紋位置對比如圖19所示。

圖19 002357軸徑與003843軸徑裂紋位置對比

5 結束語

在現場安裝過程中，#2機組葉片由于異常操作，對葉片內外部結構造成損傷，部分內部損傷在使用過程中逐漸惡化導致葉片最終失效。

現有無損檢測方法并不能將這種內部損傷百分之百檢測出來,只有嚴格執行安裝前技術交底、安裝中質量檢查、安裝后定期維護，才能及時發現問題。

葉片修復要求環境溫度在10 ℃以上，2009年5月對#2機組葉片集中處理后，至今葉片運行良好，再沒有發生斷裂事故。