超臨界直流鍋爐引風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析

郭春暉，王 濤，劉藝虹

（1.國家能源集團(tuán)山東電力有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.國家能源費(fèi)縣發(fā)電有限公司，山東 臨沂 273425）

0 引言

引風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，安裝在鍋爐尾部煙道電除塵器和煙囪之間，用于將煙氣吸出爐膛，排人煙囪。引風(fēng)機(jī)輸送的介質(zhì)系溫度較高的含煙氣體，長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、高灰分、腐蝕性顆粒環(huán)境中，風(fēng)機(jī)葉片腐蝕或磨損問題日益突出［1-3］。通過對(duì)某電廠斷裂的引風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行金相分析與力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)合葉片的實(shí)際運(yùn)行工況、受力情況，分析葉片斷裂的原因。

1 設(shè)備概述

某電廠2×650 MW 超臨界機(jī)組配套鍋爐超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)配有兩臺(tái)靜葉調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機(jī)，型號(hào)為SAF33.5-22.4-2，葉片設(shè)計(jì)材料為15 MnV。一、二級(jí)葉片各22 片，共44片，全壓升為7 900 Pa，風(fēng)量為500 m3/s。引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性曲線如圖1 所示。表1 中BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量。

表1 引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 SAF33.5-22.4-2引風(fēng)機(jī)特性曲線

2019 年7 月3 日18：45，機(jī)組負(fù)荷536 MW，引風(fēng)機(jī)動(dòng)壓開度為80%，引風(fēng)機(jī)振動(dòng)X相為2.2 mm/s，Y相為0.6 mm/s；18：46，引風(fēng)機(jī)X相振動(dòng)時(shí)瞬間波動(dòng)到19.99 mm/s，Y相振動(dòng)波動(dòng)至19.92 mm/s，隨后，X相降至9.3 mm/s，Y相降至2.3 mm/s。引風(fēng)機(jī)電流瞬間波動(dòng)至571 A后突降至219 A，爐膛負(fù)壓最大至954 Pa。

引風(fēng)機(jī)停運(yùn)后揭蓋檢查發(fā)現(xiàn)，引風(fēng)機(jī)一級(jí)葉片斷裂1 片，開裂葉片4 片，裂紋長(zhǎng)度為40～80 mm，均距葉根約180 mm 處，其他葉片受不同程度打傷。二級(jí)葉片未發(fā)生斷裂，但受到不同程度的損傷，所有斷裂和損傷葉片均進(jìn)行了更換。斷裂葉片形貌如圖2所示。

圖2 斷裂葉片形貌

2019 年8 月1 日20：01，機(jī)組負(fù)荷為620 MW，引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度為85%，引風(fēng)機(jī)X相振動(dòng)由2.8 mm/s跳增至19.8 mm/s，Y相振動(dòng)由0.8 mm/s跳增至19.1 mm/s，風(fēng)機(jī)電流由524 A 升高至553 A，而后引風(fēng)機(jī)跳閘。風(fēng)機(jī)停運(yùn)后檢查發(fā)現(xiàn)9個(gè)葉片受損，其中1個(gè)斷裂、1個(gè)存在豁口，其余7個(gè)均發(fā)生變形。

2 斷裂試驗(yàn)分析

2.1 宏觀檢驗(yàn)

引風(fēng)機(jī)一級(jí)斷裂葉片與開裂葉片，其開裂和斷裂位置均發(fā)生在葉片進(jìn)風(fēng)側(cè)（防磨堆焊?jìng)?cè)）如圖3所示。

圖3 一級(jí)開裂和斷裂葉片損壞形貌

一級(jí)斷裂、開裂葉片起始開裂部位距葉片底部約180 mm，附近堆焊層可見細(xì)微裂紋。斷裂葉片斷面呈脆性，無明顯塑性變形；斷面由裂紋擴(kuò)展段和撕裂段組成；開裂長(zhǎng)度約為80 mm，如圖4所示。

圖4 引風(fēng)機(jī)一級(jí)葉片進(jìn)風(fēng)側(cè)裂紋形貌

2.2 化學(xué)成分分析

使用定量光譜儀對(duì)斷裂、開裂葉片化學(xué)成分分析。斷裂葉片化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w（C）=0.17%，w（Si）=0.51%，w（Mn）=1.52%，w（V）=0.06%，w（P）=0.020%，w（S）=0.015%。開裂葉片化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為：w（C）=0.16%，w（Si）=0.49%，w（Mn）=1.53%，w（V）=0.06%，w（P）=0.018%，w（S）=0.013%。

分析結(jié)果符合GB 1591—1988《低合金結(jié)構(gòu)鋼》15 MnV鋼化學(xué)成分要求［4］。

2.3 金相分析

采用Axio Vert A1 金相顯微鏡對(duì)引風(fēng)機(jī)斷裂葉片進(jìn)行金相分析，分析結(jié)果表明：葉片堆焊層在與基體交界附近存在微裂紋和較多缺陷，斷裂葉片距進(jìn)風(fēng)側(cè)外緣25 mm 處葉片基體金相組織主要為鐵素體和珠光體，進(jìn)風(fēng)側(cè)外緣尖端區(qū)域金相組織為馬氏體。斷裂葉片金相顯微如圖5所示。

圖5 斷裂葉片金相顯微圖

2.4 硬度檢測(cè)

斷裂和開裂葉片堆焊層橫截面維氏硬度不均勻，其平均值換算洛氏硬度HRC 分別為66.2、64.5。斷裂和開裂葉片基體橫截面維氏硬度，其平均值換算為布氏硬度HB分別為209、201。

2.5 常溫機(jī)械性能檢驗(yàn)

對(duì)斷裂、開裂的葉片按照《GB/T228.1—2010 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》《GB/T229—2007 金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)［5］，試驗(yàn)結(jié)果均符合JGB 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》15 MnV鋼機(jī)械性能要求。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 斷裂、開裂葉片機(jī)械性能檢驗(yàn)結(jié)果

3 原因分析

3.1 風(fēng)機(jī)匹配特性

自2013 年實(shí)施引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)合并改造以來，鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)先后新增加了一層催化劑、低溫省煤器、濕除系統(tǒng)，空預(yù)器進(jìn)行了增寬改造，再加上空預(yù)器堵塞等導(dǎo)致整個(gè)煙道系統(tǒng)阻力增加了約2.0 kPa，風(fēng)機(jī)裕量被煙道系統(tǒng)新增阻力抵消；另外，機(jī)組增容貼牌使機(jī)組負(fù)荷超過了引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)合并改造設(shè)計(jì)時(shí)的最高負(fù)荷，在以上因素共同作用下，高負(fù)荷段引風(fēng)機(jī)需要運(yùn)行在此工況點(diǎn)的風(fēng)量、風(fēng)壓為風(fēng)機(jī)能力考核點(diǎn)（Test Blok，TB）附近。

鍋爐煙氣系統(tǒng)高阻力工況參數(shù)如表3 所示，從分散控制系統(tǒng)（Distributed Controi System，DCS）調(diào)取葉片發(fā)生斷裂前三個(gè)月數(shù)據(jù)可知，在580 MW 以上負(fù)荷時(shí)，引風(fēng)機(jī)全壓升至8.0 kPa以上（BMCR 全壓7.9 kPa，TB 全壓9.0 kPa），高負(fù)荷時(shí)段較多且時(shí)間長(zhǎng)，引風(fēng)機(jī)基本都是在BMCR 至TB 工況之間運(yùn)行。該鍋爐實(shí)際運(yùn)行中引風(fēng)機(jī)全壓升超出設(shè)計(jì)值，煙道管網(wǎng)的阻力特性曲線較為陡峭，和引風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)向左偏移，即引風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)向左偏移，進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)，導(dǎo)致葉片受煙氣作用力長(zhǎng)時(shí)間在高位區(qū)間，加劇了葉片應(yīng)力疲勞。

表3 2號(hào)鍋爐煙氣系統(tǒng)高阻力工況參數(shù)

3.2 葉片材質(zhì)問題

引風(fēng)機(jī)葉片上出現(xiàn)裂紋以致造成斷裂，主要影響因素為裂紋源和應(yīng)力，裂紋源主從兩方面進(jìn)行分析，一是外傷，另一個(gè)是材料內(nèi)部缺陷。宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)異常，所以可以排除明顯的外傷。葉片基體金相組織主要為鐵素體和珠光體，但進(jìn)風(fēng)側(cè)尖端區(qū)域金相組織為馬氏體，疑似為堆焊時(shí)受到過高熱循環(huán)引起的組織相變，而馬氏體組織內(nèi)部應(yīng)力較大。同時(shí)，葉片堆焊層與基體交界處存在較多缺陷，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，是促進(jìn)裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要因素［6］。

在存在裂紋源的情況下，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展［7-8］。失效葉片均在葉片防磨堆焊?jìng)?cè)起始開裂且斷口附近存在多處細(xì)微裂紋，表明葉片由于先產(chǎn)生裂紋，并在應(yīng)力的作用下不斷發(fā)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。

引風(fēng)機(jī)葉片屬高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件，葉片的應(yīng)力情況非常復(fù)雜，應(yīng)力的大小對(duì)葉片裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的影響非常大，葉片裂紋和斷裂部位發(fā)生在距底部180 mm處，這個(gè)部位可能是葉片的高應(yīng)力區(qū)。

3.3 運(yùn)行調(diào)整問題

引風(fēng)機(jī)葉片斷裂前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線如圖6、圖7所示，通過對(duì)比兩次發(fā)生引風(fēng)機(jī)葉片斷裂前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)可知，兩次引風(fēng)機(jī)葉片斷裂均是瞬間發(fā)生，斷裂前運(yùn)行參數(shù)（機(jī)組負(fù)荷、引風(fēng)機(jī)電流、葉片開度、橫向振動(dòng)、軸向振動(dòng)）無異常狀況，運(yùn)行操作無明顯波動(dòng)。其中2019 年7 月3 日引風(fēng)機(jī)振動(dòng)大觸發(fā)引風(fēng)機(jī)跳閘值而未跳閘，2019 年8 月1 日2 A 引風(fēng)機(jī)振動(dòng)大超過引風(fēng)機(jī)跳閘值而跳閘，是由于在發(fā)生葉片斷裂后將原設(shè)置觸發(fā)跳閘后延遲15 s，防止誤動(dòng)作，后將延遲反應(yīng)時(shí)間縮短。因此前一次未發(fā)生引風(fēng)機(jī)跳閘而后一次正常發(fā)生跳閘，該問題與運(yùn)行參數(shù)調(diào)整無關(guān)。

圖6 7月3日引風(fēng)機(jī)葉片斷裂前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線

圖7 8月1日2A引風(fēng)機(jī)葉片斷裂前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線

4 結(jié)語

引風(fēng)機(jī)葉片防磨層在堆焊時(shí)受到過高熱循環(huán)引起的組織相變，葉片堆焊層在與基體交界處存在較多缺陷，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。而由于脫硝催化劑、低溫省煤器、空氣預(yù)熱器的阻力增加，引風(fēng)機(jī)頻繁超全壓，引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在不穩(wěn)定工作區(qū)運(yùn)行對(duì)葉片產(chǎn)生一定頻率的激振力，使葉片受到交變應(yīng)力的作用，使葉片產(chǎn)生疲勞斷裂。

鑒于目前風(fēng)機(jī)壓頭安全裕量較小，同時(shí)風(fēng)機(jī)葉片后續(xù)還需要全部更換，建議在考慮提升新葉片材質(zhì)的同時(shí)考慮通過調(diào)整葉型提升風(fēng)機(jī)壓頭，進(jìn)而增加風(fēng)機(jī)壓頭裕量，避免風(fēng)機(jī)葉片受力長(zhǎng)期運(yùn)行在應(yīng)力峰值點(diǎn)附近，進(jìn)而提升葉片的運(yùn)行壽命和機(jī)組運(yùn)行安全。葉片在后續(xù)采購選型時(shí)優(yōu)先考慮采用抗應(yīng)變能力更高材質(zhì)的風(fēng)機(jī)葉片（不銹鋼或整體鍛造冷噴涂葉片）。在停機(jī)時(shí)對(duì)引風(fēng)機(jī)入口之前的煙道內(nèi)部進(jìn)行檢查，排除因腐蝕等造成的螺栓或小固定件銹蝕脫落的因素。