小型抽凝式供熱汽輪機葉片斷裂分析

陳 昊 胡建明 智建平

（1.江蘇國信儀征熱電有限責任公司 江蘇儀征 2.江蘇國信揚州發電有限責任公司 江蘇揚州）

一、前言

公司2#汽輪機是由南京汽輪機廠生產，型號為C25-8.83/0.981-Ⅰ，工作轉速為3000 r/min，2005年12月投產。該機組為高壓、單缸、單抽、沖動、凝汽式汽輪機，汽輪機轉子由1級調速級和19級壓力級組成。回熱抽汽系統共6級，分別位于4、8、10、12、14、16壓力級葉輪之后，其中位于第10級壓力級后的抽汽為調整抽汽，用于對外供熱，按壓力高低依次供給2#高壓加熱器、l#高壓加熱器、高壓除氧器、3#低壓加熱器、2#低壓加熱器、l#低壓加熱器。

軸封系統：機組的前、后軸封采用梳齒式汽封結構，轉子上的軸封高低槽齒與軸封的長短齒相配，形成了迷宮式汽封。前軸封共6組分為5擋漏汽，后軸封共3組分為2擋漏汽，前軸封第1擋漏汽至2級抽汽；前軸封第2擋漏汽至4級抽汽；前軸封第3擋漏汽至6級抽汽；前軸封第4擋漏汽會同后軸封第1擋接入軸封汽均壓箱；前軸封第5擋會同后軸封第2擋及主汽門、調速汽門門桿第2擋漏汽接入軸封加熱器。汽輪機轉子和發電機轉子分別用2道軸承支撐,其間用剛性聯軸器連接。機組的軸系結構見圖1。

圖1 汽輪機軸系

二、汽輪機葉片斷裂情況

2013年7月3日、14日、8月 22日1#、2#、3#瓦 振動明顯異常升高（表1），判斷為汽輪機斷葉片，對汽輪機揭缸檢查發現，第16壓力級斷葉片2根，第17壓力級斷葉片1根。如圖2所示。

表1 揭缸前汽輪機振動異常上升情況

圖2 斷裂葉片

三、汽輪機葉片斷口分析

（1）對損壞葉片進行光譜分析發現，葉片材料為1Cr13不銹鋼，與汽輪機廠圖紙一致。

（2）從損壞葉片上刮取垢樣進行化驗，化驗結果表明，垢物主要是由SiO2類的微晶體組成，不存在Na0H和NaC1產物，這說明汽水品質合格，不存在腐蝕斷裂的可能性。

（3）對斷裂葉片的斷口進行了宏觀觀察。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（平斷面），進汽邊為快速斷裂區（粗糙斷面），中間部分為疲勞裂紋擴展區。平斷口是疲勞性質的斷裂,斷口可以見到與裂紋擴展方向相垂直的貝殼線。斷裂源都起源于較薄的出氣邊,這是由于該區域強度相對較弱,且是氣流出口端,氣流速度較快。

粗糙斷口是由于裂紋擴展后,葉片強度降低,所承受的應力增加,最后斷裂造成的。第16壓力級葉片快速斷裂區較小，約占葉片截面積的10%。說明第16壓力級斷葉片應是長期高周低應力疲勞。第17壓力級斷葉片快速斷裂區較大，約占30%。說明第17壓力級斷葉片也是疲勞斷裂，但因葉片較長，作用力較大，快速斷裂區較大。

根據以上分析，汽輪機葉片的斷裂屬高周低應力疲勞斷裂。葉片的出氣邊較薄，長期在蒸汽的動應力作用下，產生疲勞微裂紋。該裂紋開始擴展的速度較慢，當裂紋長度超過一定值后，擴展速度加快,最后導致葉片斷裂。

四、事故原因分析結論

葉片材料化學成分合格。葉片的斷裂不是腐蝕所致，是由疲勞引起的。因此，分析疲勞產生的原因。

（1）抽凝式供熱汽輪機末級濕汽區較常規凝汽式汽輪機大，該公司循環水系統采用自然通風冷卻塔方式冷卻，系統真空受環境溫度影響大，冬季供熱高峰時，真空值可達-100 kPa，已達機組極限真空值，蒸汽在末幾級葉片中已達極限膨脹值，此時蒸汽流速高，末幾級葉片離心拉應力成平方數增加。另一方面真空過高，導致機組濕蒸汽區增大，濕蒸汽在葉片表面形成凝結放熱現象，換熱系數成15～20倍增加，此時末幾級葉片內部產生較大熱應力。

（2）該公司供熱負荷特點是負荷波動較大。汽輪機葉片斷裂發生在第16、17壓力級，而第16、17壓力級之間對應6級抽汽，在汽輪機供熱負荷的波動時抽汽量也隨之變化，因此第16、17壓力級因抽汽量變化引起的的熱應力較大。

（3）查運行參數，發現第6段回熱抽汽溫度高，6抽壓力由于供熱抽汽已處于負壓區，正常溫度應為80℃左右，實際運行最高達到210～240℃。分析原因，汽輪機廠設計，軸封第3擋漏汽接入6抽管道，軸封第3擋漏汽壓力、溫度均高于6抽，當機組供熱負荷較高時，機組前軸封第3擋高溫漏汽部分回流至汽缸內部。當機組供熱負荷下降時，機組前軸封第3擋高溫漏汽正常回到1#低壓加熱器，導致處于6抽抽汽口的第16壓力級和第17壓力級葉片承受的熱交變應力進一步加大。

表2 第3擋漏汽管道調整門前后參數對比

五、防治措施

根據上述事故原因分析，供熱負荷波動大是客觀因素，主要是由于設計不合理，導致軸封第3擋漏汽回流進入汽缸，導致汽輪機末幾級葉片承受較大的熱交變應力。為此，2013年10月2#汽輪機機停運期間，在機組前軸封第3擋漏汽管道加裝1個J41Y-16I/DN100閥門，通過調整閥門開度達到控制機組前軸封第3擋漏汽進入第6段回熱抽汽管內的流量，從而達到控制第6段回熱抽汽溫度接近設計溫度范圍的目的。

通過調整機組前軸封第3擋漏汽管道調整門開度，機組第6段回熱抽汽溫度明顯下降（表2），機組運行1.5年以來正常，控制效果明顯。

六、結論

小型抽凝式供熱機組由于抽汽供熱，末級濕汽區較常規凝汽式汽輪機大；同時因為供熱負荷波動較大，末幾級葉片承受了較大的熱交變應力；再加上軸封漏汽不正常的回流入汽缸導致熱交變應力更大，在此情況下長期運行導致了葉片斷裂。江蘇國信儀征熱電有限責任公司根據此情況，針對性的在機組前軸封第3檔漏汽管道加裝1個調整門，通過調整該門的開度控制軸封漏汽不正常的回流對汽輪機葉片的交變應力的影響，取得較好效果。為避免汽輪機同類事故的發生，建議采取措施。控制好蒸汽飽和度，減少由于膨脹做功后產生過多的細小水顆粒對葉片進行沖擊。定期對汽輪機進行開缸檢查，特別要加強對葉片的檢查。對葉片進行探傷和測頻，以便及早發現問題。