汽輪機轉子葉輪裂紋及葉片損壞處理

童萬均，劉全，何盛國

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

汽輪機轉子葉輪裂紋及葉片損壞處理

童萬均，劉全，何盛國

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

汽輪機組在檢修期間檢查發現轉子葉輪葉根槽位置存在裂紋，且部分級次葉片損壞嚴重。通過安全性等校核，以及進行熱力、凝汽器等核算，提出了可行的處理方案，以最短的時間恢復了機組運行。

轉子，葉輪裂紋，葉片損壞，核算，處理方案

Abstract：When the turbine unit was under repair,the cracks were found in the root groove of rotor impeller blade,and the blades of some stage were badly damaged.Through security check,and the calculation of heat and condenser,a feasible treatment scheme was put forward and the operation of the unit was resumed in the shortest time.

Key words：rotor,impeller crack,blade damage,verification,processing methods

1 概述

某電廠汽輪機為進口的帶工業抽汽及采暖供熱的雙抽機組，機組于1999年10月正式投運，型號為ЛT-140/165-130/15-2。機組型式：超高壓、一段非調整和一段生產、二段采暖調整抽汽、雙缸單軸、單排汽固定凝汽式汽輪機。

主要設計參數如下：

功率：額定142 MW，最大167 MW，凝汽120 MW；

通流級數：25級，其中高壓缸13級，低壓缸12級；

末級動葉長度：830 mm；

新蒸汽參數：主汽門前12.7 MPa/555℃；

新蒸汽流量額定：788 t/h、最大810 t/h、凝汽446 t/h；

背壓： 7.36 kPa（絕壓）-對應真空-77 kPa（冷卻水溫20℃）；

凝汽器通水量額定：12 400 t/h，最大13 500 t/h（水溫 20℃）；

低壓缸允許排汽量最大：330 t/h，最小20 t/h；

抽汽壓力：工業抽汽1.08～1.96 MPa，采暖上段 0.036～0.16 MPa， 采暖下段 0.056～0.034 MPa；

抽汽流量：生產抽汽額定335 t/h，最大500 t/h；采暖抽汽流量（上、下段總和）額定220 t/h，最大270 t/h；

調節方式：電調。

電廠計劃安排小修機會對轉子及其附件進行了相關隱患排查工作。排查結果發現低壓第21級葉輪葉根型線部位存在裂紋，且第24級、25級部分葉片損壞，對機組運行存在嚴重安全隱患。轉子需返到汽輪機制造廠進行處理，同時需盡快處理完畢恢復機組運行，以滿足熱用戶需求。因此，處理方案需首先滿足機組運行的安全性、帶熱負荷能力及工期要求。

2 轉子及缺陷情況簡介

2.1 轉子情況簡介

存在缺陷的轉子為中低壓轉子，共12級，編號為14～25級。14～19級葉輪是與大軸整體鍛造而成的，20～25級葉輪為套裝葉輪；第14～22級葉片為T形葉根，葉輪輪緣為反T形槽結構；第23、24級為叉形葉根，第25級為樅樹形葉根，轉子剖面示意圖見圖1。低壓21～25級的葉片參數見表1。葉片 （14～20級）帶有鑲嵌的輪緣，葉片（21、22級）帶有減震連接，24～25級葉片進口邊緣有司太立硬質合金保護層。

表1 低壓21～25級葉片參數特性

圖1 低中壓轉子平面圖

2.2 轉子缺陷情況簡介

低壓轉子主要缺陷：低壓第21級葉輪槽存在裂紋；低壓第24、25級（次末級、末級）動葉片碰傷。

2．2．1 第21級葉輪槽缺陷情況

第21級葉片共計110片，對葉輪輪緣反T形槽進行了常規超聲波和相控陣超聲波探傷檢查，發現進、出汽側反T形槽內壁外部端角整圈存在裂紋缺陷反射信號 （第21級葉輪輪緣反T形槽示意圖及缺陷位置如圖2所示），其中裂紋自身高度最大處位于葉片編號6～13位置（第21級葉片自編號如圖3所示），裂紋自身高度約16 mm。

圖2 第21級葉輪輪緣反T形槽及缺陷位置示意圖

圖3 第21級葉片自編號示意圖

2．2．2 第24、25級動葉片損傷情況

第24級動葉片原設計方式為叉形葉根、葉身汽道穿2圈松拉筋結構，葉片上部進汽邊焊有司太立硬質合金防水蝕保護層。該級葉片損壞相連的9只，所有損壞葉片損壞長度達到100～180 mm不等，宏觀檢查多個葉片損壞折彎處出現裂紋，入口邊鑲嵌的司太立合金片損壞。

第25級動葉片原設計方式為圓弧樅樹形葉根、葉身汽道穿2圈松拉筋結構，葉片上部進汽邊焊有司太立硬質合金防水蝕保護層。該級動葉片共損壞相連的17只，損壞葉片長度從葉頂起250～270 mm不等，已達到整個葉身的1/3；宏觀檢查多個葉片損壞折彎處出現裂紋，葉片拉筋變形嚴重，入口邊鑲嵌的司太立合金片脫落。

3 轉子缺陷原因分析

從缺陷位置及缺陷情況分析，第21級葉輪T形槽裂紋主要原因如下：

（1）機組運行時葉片產生的離心力過大；

（2）葉輪T形槽尖角位置未倒角處理，產生集中應力；

（3）機組長期運行后產生應力疲勞。

第24級、25級部分葉片損壞的原因為意外碰傷。

4 轉子缺陷處理方案

處理方案需首先滿足機組運行的安全性、帶熱負荷能力及工期要求。由于機組為國外機組，國內無相應的設計資料、數據及葉片、葉輪等毛坯儲備，所以處理方案比較特殊。

4.1 第21級葉輪槽缺陷處理方案

第21級為套裝葉輪，位于轉子中部。根據葉輪槽缺陷位置及材料情況，無法進行修復以滿足強度要求；且由于是國外機組，國內無相應的原始資料和毛坯儲備；在檢修工期比較短的情況下，結合機組供熱量大的運行特點，暫時只能采用去級運行方案，但需對相應級次強度等進行校核。

第21級整級葉片拆除后，在裂紋區以下一定高度整級對葉輪槽缺陷部位車削加工去除，運行時保留該級隔板。

為方便以后將該機組恢復至正常狀態，將拆卸的葉片選2只完整未損傷的進行掃描測繪。

4.2 第24級（次末級）動葉片損壞處理方案

對于該級葉片最好的處理方式是采用新葉片將損壞葉片進行更換，但其是國外產出的機組，國內沒有葉片數據和成品葉片，無法進行更換，故采取折中方案：將損傷葉片及其對稱位置的葉片割除一定長度汽道的方式處理。 割除汽道前，拆卸一弧段的未損壞動葉片，挑選2只完整的未損傷葉片進行三維掃描測繪；根據測繪數據重塑該動葉模型，并進行振動特性核算（核算結果見表2），根據核算結果確定需割除的長度為190 mm，并且此時的葉片動頻滿足設計規范中對避開率的要求。最后將拆卸的動葉片復裝，最終根據損壞情況及核算數據共處理18只葉片。

表2 第24級單只葉片動頻核算結果單位：Hz

4.3 第25級 （末級）動葉損壞處理方案

對于該級葉片最好的處理方式是采用新葉片將損壞葉片進行更換，但其是國外產出的機組，國內沒有葉片數據和成品葉片，無法進行更換；并且損壞葉片數量較多，故采取折中方案。采取沿葉根平臺以上割除整級末級動葉的方式處理，運行時保留該級隔板。采取這種處理方式有以下兩方面考慮：

（1）電廠基本常年處于抽汽工況運行，末級動葉片 （未損壞的情況下）在機組運行中做功很小。如果部分切除動葉，末級在運行中會發生鼓風效應。

（2）部分切除動葉，其割除數量也巨大，在機組運行中，還會帶來不可預期的振動問題。

同時，為方便以后將該機組恢復至正常狀態，在割除末級動葉前，拆卸2只完整的未損傷葉片進行掃描測繪，數據存檔，在合適的時候重新加工該葉片。測繪后的葉片需要去掉葉身將葉根復裝到葉輪上，消除機組運行時的輪槽鼓風。

5 處理方案核算

由于電廠工期緊張，同時是國外產出機組，短期內無法徹底修復該轉子的損傷情況，此次臨時處理后機組采取缺級（第21級動葉、末級動葉）運行狀態，故需進行復核。

5.1 熱力核算

原機組為帶工業抽汽及采暖供熱的雙抽機組，低壓第21級、第23級為旋轉隔板級（7～8抽），級前分別為采暖上段抽汽位置和采暖下段抽汽位置。

機組原長期運行工況數據見表3。

表3 機組原長期運行工況數據

機組正常運行時采暖上、下段總共抽汽約60～70 t/h，高排 （四抽）約有223 t/h的抽汽量，五抽有廠用抽汽 （抽汽量未換算）。經核算，10#機組中低壓轉子缺陷處理后，可以在這種運行條件下穩定運行。

5.2 凝汽器核算

電廠提供機組凝汽器相關數據如表4所示。

表4 機組凝汽器相關數據

根據凝汽器數據，在不考慮堵管情況下保守核算，核算結果如表5所示。

表5 凝汽器核算結果

5.3 核算結論及運行建議

根據上述復核結果，機組中低壓轉子缺陷處理，運行時的結論及建議如下：

（a）中低壓轉子缺陷處理后在原長期運行工況（其運行數據見表3）可以運行。

（b）機組轉子缺陷處理完投運后在其他參數工況運行時，需注意監視采暖上、下段抽汽壓力和排入凝汽器流量，不允許在大進汽量、小抽汽量（采暖上段之前的其余各段抽汽）工況下運行。

（c）注意監視末級排汽溫度，超過原機組給定的溫度限制時，需要啟用噴水減溫裝置對其進行降溫。

（d）根據機組的凝汽器相關數據及校核結果，可以采用單臺泵運行，適當提升背壓，減小末級隔板壓差。

（e）總體上，從安全性角度出發，該轉子不宜長期運行，建議進行升級改造或恢復。

6 轉子缺陷處理主要工作

轉子缺陷處理主要工作見表6。

表6 轉子缺陷處理主要工作

7 結論

（1）經過為期10天的緊急處理，機組中低壓轉子缺陷順利處理完畢，轉子高速不平衡量到達標準要求。

（2）在計劃的工期內完成了中低壓轉子安全隱患的排查和處理，消除了機組安全運行的隱患。

（3）中低壓轉子缺陷處理后啟機順利，各項運行監控指標正常，保證了機組的熱負荷輸出。

（4）根據機組運行后情況表明，處理方案是成功的，對同類型事故處理具有一定的參考意義。

[1]中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊:第二卷 汽輪機[M].北京:機械工業出版社,1998.

[2]吳厚鈺.透平零件結構和強度計算[M].北京:機械工業出版社,1982.

Processing Methods of Impeller Crack and Blade Damage

Tong Wanjun， Liu Quan， He Shengguo
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK268

A

1674-9987（2017）03-0067-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.015

童萬均 （1982-），男，工程師，現主要從事汽輪機的技術改造、修復及維護工作。