AV80 軸流壓縮機葉片根部裂紋原因分析及對策

逯 斌，林衛全，付兆升，張 劍，史紅艷

（山東鋼鐵萊蕪分公司能源動力廠 山東萊蕪 271100）

1 背景

山鋼萊蕪分公司能源動力廠型鋼熱電車間1＃汽輪鼓風機（型號：AV80－15），圖號：900259／4153，該套機組2004 年5 月份投運，已運行近16 年。 轉子曾在2010 年返廠常規檢修，動葉著色探傷，高速動平衡。 本次轉子、承缸返廠檢修，主要檢修內容為轉子解體、動葉磁粉探傷，高速動平衡；承缸部分常規檢修，靜葉磁粉探傷、更換密封環。 在對動葉磁粉探傷中，發現葉片葉根有裂紋失效情況。

2 1＃機組（AV80－15）葉片失效情況描述

2022 年7 月16 日返廠對動葉、隔葉塊、靜葉進行磁粉探傷檢查，發現第1－15 級493 件動葉片中有430 件葉根存在裂紋，裂紋長度基本在1 mm－40 mm 之間，在第一、二榫齒根均有出現，第一葉根齒居多，且隨機分布在葉根進氣邊或排氣邊。 隔葉塊探傷有13 件發現裂紋，裂紋長度5 mm－10 mm。 靜葉磁粉探傷均合格。 葉片磁粉探傷圖如圖1 所示

圖1 裂紋葉片熒光磁粉探傷照片

2011－2012 年，高爐大修后，鼓風機實際運行壓力從390 KPa 提升410 KPa（G），風量幾乎沒有變。 本次分析從設計、制造檔案、失效葉片材料的理化檢驗及現場運行等環節進行系統分析。

3 葉片失效原因查找

3.1 1＃機組（AV80－15）設計環節核查

陜鼓軸流壓縮機動靜葉片均按照理論的“無限壽命”設計，即在振動、強度范圍內保證10 的7次方疲勞壽命要求及其安全性。 但由于各現場實際工況不同，如磨損（導致振動頻率改變）、腐蝕、操作、維護、特殊異常工況、材料缺陷、加工質量等都有可能導致葉片提前“疲勞”、失效，因此實際的葉片疲勞壽命是有限的。

3.2 動葉片強度應力的計算核查

按照當前運行的工況，Pc ＝517 KPa（A），Qn ＝5250 Nm3／min 計算，應力情況見表1。

表1 升負荷前各級葉片應力計算結果

在該工況下，第8 級動葉片氣流彎應力最大，為22.55 MPa；第1 級動葉片離心應力最大，為114.43 MPa，符合設計規范。

3.3 葉片振動頻率的計算核查

3.3.1 動葉片固有頻率計算

轉子旋轉對動葉產生的擾動屬于低頻激振，一般只核算一階彎曲共振。 表2 為各級動葉片，固有頻率計算結果。

表2 各級動葉片固有頻率計算結果

由于機組已運行近16 年，葉片進出氣邊均有不同程度的磨損，葉片磨損會引起頻率發生變化，當頻率進入共振范圍內，會引起葉片振動增加，長周期運行會促進葉片疲勞裂紋的產生。

3.4 葉片材料與標準的對比核查

經查材質檔案，該機組葉片材料為1Cr12Mo不銹鋼，該裂紋葉片為2004 年生產的葉片， 原材料供貨廠家為北京布魯特，葉片化學成分符合GB／T 8732 標準要求。 葉片化學成分檢測見表3。

表3 材質檢測與檔案化學成分檢驗對比表

3.5 1＃鼓風機（AV80－15）現場運行情況匯總

該機組為15 年以前出廠的機型，機組沒有增加防阻塞系統，高爐在休風時，鼓風機在小靜葉角度（≤30°）運行，防喘閥全部打開，風機的出口壓力全部≤50KPa（G）運行。

現場查看機組，存在阻塞的情況；當機組存在阻塞時聲音異常，即深度阻塞時才調節壓縮機的工況消除異常聲音。 具體可參照圖2。

鼓風機處于阻塞狀態，阻塞的時間基本取決于高爐休風的時間，一般休風時間約2 小時；查詢最高紀錄，最長一次休風時間為8 小時。 阻塞的頻率也取決于高爐休風的頻次，高爐不順，休風頻率越高，風機操作進入阻塞區域的概率越大，導致鼓風機在阻塞區域運行；阻塞工況引起的載荷沖擊會造成葉根產生疲勞裂紋。

4 葉片失效原因分析

鼓風機屬于高速旋轉設備，葉片存在周期性氣流激振。 該軸流壓縮機的葉片設計均按照理論的“無限壽命”理念來設計，但實際上葉片的磨損（導致振動頻率改變）、腐蝕、操作、維護、特殊異常工況、材料缺陷、加工質量等都有可能導致葉片提前“疲勞”、失效。 從上面設計、葉片加工、葉片材料復檢、運行等上看都為正常范規范圍。

因此，經過分析，葉片的失效原因主要在于以下幾個方面：

1）該鼓風機運行15 年以上，葉片存在一定的磨損及沾灰腐蝕性影響，導致葉片振動頻率的改變。

2）鼓風機以前長期運行并適應在小負荷工況，近1－2 年負荷增大，導致鼓風機振動增大，加大葉片疲勞趨勢。

3）高爐休風時，機組累計長時間在阻塞區運行，阻塞工況下運行會造成氣流不穩定，將激發葉片振動，并附加額外的氣流激振，長時間會在葉片根部應力較大處產生裂紋、疲勞擴展。

5 措施實施

1）新補制動葉片葉根進行倒棱處理，采用低邊齒結構，并對前10 級動葉片的葉根進行噴丸處理。

2）鼓風機增加防阻塞系統，避免風機在阻塞區域運行；休風時，建議風機運行的最小靜葉角度為30°。

控制系統畫面增加防阻塞線與報警功能，陜鼓提供阻塞數據；

阻塞區域運行，增加計時功能，通過累計時間知道鼓風機檢修周期；

高爐休風或鼓風機進入阻塞區通過調節防喘閥與送風閥脫離阻塞；

改造送風閥具有調節功能，保證調節時的安全可靠，或者高爐休風時通過在高爐側放風，保證風機的出口壓力高于阻塞壓力。

3）嚴格按照新版《軸流壓縮機說明書SM》操作，具體關注風機的啟機、加載、檢測、防阻塞操作、高爐休風操作、停機、周期性的檢維修以等內容。

6 效果驗證

1）試驗內容：分別在4 個靜葉角度（32° 42°50° 60°）下進行喘振性能試驗，前2 個靜葉角度下試驗到發生喘振現象（32° 42°），第3、4 個靜葉角度下未試驗到喘振（50°60°）。 最后一個（60°）在排氣壓力580KPa（設計排氣表壓0.450MPa）時終止實驗。

2）根據試驗數據（見圖3、圖4）：該軸流壓縮機性能達到設計要求，并能滿足工藝使用要求，喘振性能合格。

圖3 1＃風機喘振試驗軸系運行狀態圖

圖4 1＃風機喘振試驗運行工況圖

3）防喘振曲線參數和防阻塞曲線參數已由山信軟件儀控人員設定在防喘振控制系統中，并進行了標定，該風機已正常安全投入運行。

7 結語

造成軸流壓縮機葉片根部裂紋的原因很多，解決方法也有較大的變化。 針對型鋼熱電車間1＃汽輪鼓風機動葉榫齒根出現裂紋情況，用常規檢查和分析方法難以確定造成葉根有裂紋的真正原因。通過優化防喘曲線、加裝阻塞曲線的方法，開拓了分析問題和處理解決問題的思路和方法，對今后類似問題的分析和處理提供有益借鑒。