軸流送風(fēng)機(jī)葉片斷裂事故分析及對策

趙世偉， 胡雪梅， 李 燁， 王 體， 王川川

（國家電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司， 河南 平頂山 467312）

0 設(shè)備概況

某超超臨界鍋爐配置的2 臺軸流送風(fēng)機(jī)為ANN-3120/1600N 型動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)， 送風(fēng)機(jī)本體主要由轉(zhuǎn)子部分、 定子部分、 軸承箱、 液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、 自動調(diào)節(jié)裝置、 聯(lián)軸器等組成。 風(fēng)機(jī)設(shè)置1 級葉輪， 配置26 片可調(diào)動葉片， 直徑3 120 mm， 可調(diào)范圍15°～55°， 不銹鋼防磨板通過螺釘固定在鑄鋁合金葉片進(jìn)氣側(cè)兩邊， 以提高葉片防磨效果[1]。 風(fēng)機(jī)入口風(fēng)壓-381 Pa， 出口風(fēng)壓3 972 Pa， 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)效率85.7%。 該送風(fēng)機(jī)于2010 年投運(yùn)， 累計(jì)運(yùn)行約3.6 萬h。

2015 年9 月， 送風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過程中軸承振幅突然增大， 鍋爐燃燒工況惡化， 鍋爐MFT（主燃料跳閘）保護(hù)動作， 停運(yùn)檢查發(fā)現(xiàn)送風(fēng)機(jī)動調(diào)葉片組全部斷裂損壞， 損壞的葉片及螺栓散落于風(fēng)機(jī)出、 入口風(fēng)道內(nèi)， 整套葉片全部報(bào)廢， 風(fēng)機(jī)機(jī)殼局部被擊損傷、 導(dǎo)葉變形， 風(fēng)機(jī)損壞情況如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)受損情況

1 事故過程

風(fēng)機(jī)事故前機(jī)組負(fù)荷580 MW， 協(xié)調(diào)正常投入， 鍋爐氧量自動投入， A/B 送風(fēng)機(jī)動葉調(diào)節(jié)開度分別為32%和31%， 電流為58 A 和55 A， 爐膛前墻上、 中層， 后墻中、 下層4 臺制粉系統(tǒng)運(yùn)行。 A 送風(fēng)機(jī)軸承水平/垂直振動突升至20 mm/s，電流突升至67.2 A， 隨后降至48.5 A 穩(wěn)定； 2 臺送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓分別由1.3 kPa 和1.2 kPa 快速降至0 kPa， 鍋爐大風(fēng)箱壓力由0.3 kPa 快速降至-1.07 kPa， 爐膛負(fù)壓快速降至-1 070 Pa， 鍋爐燃燒狀況惡化， 各運(yùn)行磨煤機(jī)火焰監(jiān)視強(qiáng)度信號減弱， 爐膛火焰監(jiān)視開關(guān)量信號消失， 全爐膛火焰喪失， 鍋爐MFT 保護(hù)動作。

2 事故原因分析

鑒于此種情況， 主要從以下幾點(diǎn)分析事故原因： 一是風(fēng)機(jī)軸承箱基礎(chǔ)松動， 導(dǎo)致振動跳變[2]；二是動葉調(diào)節(jié)裝置異常， 調(diào)節(jié)同步性差， 造成振動跳變； 三是動葉損壞， 某一片或幾片葉片損壞使得風(fēng)機(jī)動平衡被打破， 葉片全部受損后振動跳變， 此情況將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力大大降低。

2.1 運(yùn)行工況分析

查閱該送風(fēng)機(jī)歷史運(yùn)行記錄， 軸承水平/垂直振動值在2 mm/s 左右， 均在正常范圍內(nèi)， 歷史記錄均未發(fā)現(xiàn)喘振報(bào)警信號， 事發(fā)前風(fēng)機(jī)各運(yùn)行參數(shù)無異常報(bào)警， 可排除運(yùn)行操作導(dǎo)致的事故。機(jī)組負(fù)荷769.7 MW 工況時， A 送風(fēng)機(jī)動葉調(diào)節(jié)開度46.3%、 電流73.4 A、 出口風(fēng)壓2.069 kPa、軸承水平1.140 mm/s、 垂直振動1.007 mm/s， B送風(fēng)機(jī)動葉調(diào)節(jié)開度46.2%、 電流73.7 A、 出口風(fēng)壓2.077 kPa、 軸承水平1.528 mm/s、 垂 直 振動0.008 mm/s； 負(fù)荷993.9 MW 工況時， A 送風(fēng)機(jī)動葉調(diào)節(jié)開度56.2%、 電流92.0 A、 出口風(fēng)壓2.794 kPa、 軸承水平2.024 mm/s、 垂直振動1.316 mm/s，B 送風(fēng)機(jī)動葉調(diào)節(jié)開度56.0%、 電流91.9 A、 出口風(fēng)壓2.864 kPa、 軸承水平1.595 mm/s、 垂直向軸承振動0.003 mm/s。 查閱送風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性曲線， 588.6 MW 負(fù)荷工況時， 風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)與風(fēng)機(jī)理論失速曲線點(diǎn)較遠(yuǎn)， 風(fēng)機(jī)在安全區(qū)域內(nèi)工作。

2.2 風(fēng)機(jī)檢查及事故原因推斷

2.2.1 送風(fēng)機(jī)外觀檢查

檢查風(fēng)機(jī)軸承箱基礎(chǔ)完好， 無松動現(xiàn)象； 風(fēng)機(jī)油站油壓、 油溫、 油位等參數(shù)均未見異常； 風(fēng)機(jī)入口風(fēng)道濾網(wǎng)無堵塞， 濾網(wǎng)表面無損傷； 風(fēng)機(jī)出口擋板門連接完好， 動作到位（聯(lián)鎖已處于全關(guān)位置）； 動葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接完好， 控制裝置基礎(chǔ)完好， 且處于全關(guān)位。

2.2.2 送風(fēng)機(jī)內(nèi)部檢查

風(fēng)機(jī)葉片斷裂， 風(fēng)道內(nèi)葉片碎塊、 固定螺栓斷裂較多， 且機(jī)殼被擊傷、 發(fā)生變形； 送風(fēng)機(jī)軸承箱輪轂側(cè)地腳螺栓斷裂， 且接觸臺板損傷； 風(fēng)機(jī)出、 入口風(fēng)道內(nèi)發(fā)現(xiàn)葉片碎塊和葉片固定螺栓。

2.3 事故情況分析

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)檢查情況未發(fā)現(xiàn)異物進(jìn)入， 可排除異物進(jìn)入打傷葉片的可能[3]， 結(jié)合運(yùn)行參數(shù)變化， 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)行中無卡澀， 調(diào)節(jié)油壓正常，可排除調(diào)節(jié)裝置異常、 葉片根部承受應(yīng)力過大造成的葉片損壞。

風(fēng)機(jī)軸承振動未發(fā)現(xiàn)有突變或逐漸增大的情況， 軸承振動數(shù)值在葉片斷裂瞬間突變， 經(jīng)分析可以排除風(fēng)機(jī)因喘振、 失速等異常運(yùn)行工況或葉根固定螺絲脫落， 導(dǎo)致葉片受到較大的動應(yīng)力而造成的葉片斷裂失效事故[4-5]。

事故過程應(yīng)為： 某一片或幾片葉片損壞導(dǎo)致風(fēng)機(jī)動平衡被打破， 其余葉片被打斷瞬間軸承振動達(dá)最大值， 風(fēng)機(jī)出力喪失， 系統(tǒng)返風(fēng)將部分碎葉片和螺栓吹送至入口風(fēng)道。

2.4 葉片斷裂失效綜合分析

為查明送風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因， 將斷裂的送風(fēng)機(jī)葉片送至權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析， 通過拉伸、硬度和沖擊試驗(yàn)， 結(jié)果如表1 所示， 樣品硬度和抗拉強(qiáng)度符合國標(biāo)GB/T 1173-2013 中對鑄鋁合金材質(zhì)的強(qiáng)度要求[6-7]， 抗拉伸及沖擊試驗(yàn)中， 試件伸長率和沖擊吸收功偏低， 伸長率略低于國標(biāo)對該中材質(zhì)的要求， 導(dǎo)致葉片材料塑性和韌性相對下降[8]， 但不足以導(dǎo)致該材料失效， 因此可以忽略不計(jì)。

表1 葉片樣品力學(xué)性能

其中一片斷裂葉片沿葉根截面斷裂， 斷面有2 處局部碰磨痕跡， 顆粒較粗糙， 顏色呈現(xiàn)灰暗無光澤特征， 局部斷面密集氣孔類鑄造缺陷特征明顯， 斷面分布有紅黃色的砂粒類物質(zhì)[9-10]， 此缺陷大大降低葉片的機(jī)械性能和抗斷裂強(qiáng)度， 是導(dǎo)致葉片斷裂的主要原因， 如圖2 所示。 經(jīng)綜合分析認(rèn)為： A 送風(fēng)機(jī)動葉片部分位置存在較大面積的鑄造類缺陷是造成葉片斷裂的主要原因， 風(fēng)機(jī)運(yùn)行的交變應(yīng)力使缺陷葉片周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，交變應(yīng)力長期作用下最終導(dǎo)致材料疲勞失效[11]，葉片瞬間斷裂導(dǎo)致其余葉片被打斷， 整套葉片全部報(bào)廢。

圖2 鑄造缺陷

2 臺送風(fēng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行小時數(shù)均為3.6 萬h 左右， 擴(kuò)大檢查發(fā)現(xiàn)其它3 臺同型號的送風(fēng)機(jī)動調(diào)葉片也普遍存在不同程度裂紋， 說明該批次風(fēng)機(jī)葉片已經(jīng)達(dá)到甚至超過其安全使用壽命， 但其設(shè)計(jì)使用壽命為5 萬h， 進(jìn)而說明葉片在加工制造過程中存在一定的先天性缺陷， 但A 送風(fēng)機(jī)葉片首先斷裂， 與葉片本身存在的先天性缺陷的大小和分布情況有關(guān)， 并且與風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況也有很大關(guān)系。

2.5 風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況分析

根據(jù)多年來送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行實(shí)際， 該風(fēng)機(jī)存在設(shè)計(jì)裕量偏大的問題， 風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時動葉調(diào)節(jié)開度只有20%（已采取邏輯限制， 否則開度會更小）， 已進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行， 在該工況運(yùn)行對風(fēng)機(jī)會造成一定損壞[12]， 風(fēng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域如圖3所示。 因此推斷， 這次送風(fēng)機(jī)葉片斷裂事故跟風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行工況不穩(wěn)定有一定關(guān)系。

3 處理對策

圖3 送風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域

綜合以上原因分析， 送風(fēng)機(jī)葉片斷裂損壞的主要原因是葉片加工制造過程中存在的鑄造類缺陷[13-16]， 加上低負(fù)荷時風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況不穩(wěn)定， 葉片長期在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂源， 并不斷擴(kuò)展， 直至個別葉片斷裂失效， 損毀整套葉片。

針對這次送風(fēng)機(jī)葉片斷裂事故原因， 對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子及葉片進(jìn)行整體更換， 更換為新的高效鍛造葉片， 既能保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性， 又可提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率， 改造后的風(fēng)機(jī)性能曲線對比如圖4所示。

圖4 送風(fēng)機(jī)葉片換型前后性能對比

風(fēng)機(jī)葉片換型后， 額定負(fù)荷風(fēng)機(jī)效率84%，75%負(fù)荷風(fēng)機(jī)效率80%， 50%負(fù)荷風(fēng)機(jī)效率65%，平均風(fēng)機(jī)效率可以提升15%； 同風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況下較葉片換型前， 動葉開度整體增加5%～8%， 改造后風(fēng)機(jī)在額定工況下的壓力裕度、 流量裕度均能滿足運(yùn)行要求。

4 結(jié)語

送風(fēng)機(jī)葉片損壞事故發(fā)生后， 對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子及葉片進(jìn)行了整體更換， 葉片更換為新設(shè)計(jì)的動葉片， 材質(zhì)為高強(qiáng)鍛鋁， 葉片外表僅作防磨噴涂，不設(shè)置防磨板。 在安裝前對葉片進(jìn)行了全面的金屬檢測， 并將所有風(fēng)機(jī)葉片列入定期專項(xiàng)檢查計(jì)劃， 定期檢查， 防患于未然； 根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，制定葉片檢查方案， 使用不同的探傷手段對葉片組織情況進(jìn)行監(jiān)控， 避免個別葉片斷裂造成整套風(fēng)機(jī)葉片損壞的惡性事故再次發(fā)生。

該送風(fēng)機(jī)改造后的試驗(yàn)結(jié)果表明， 各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 實(shí)現(xiàn)安全、 經(jīng)濟(jì)、 平穩(wěn)、可靠的長周期運(yùn)行。 此次改造成功解決了送風(fēng)機(jī)選型裕量大、 運(yùn)行效率偏低和安全可靠性低等問題， 可為同類型風(fēng)機(jī)的技術(shù)改造提供借鑒。