燃氣輪機和壓氣機聯(lián)軸器螺栓斷裂原因分析

錢程

(上海通華燃氣輪機服務有限公司，上海 200003)

1 問題的提出

某電廠建有2臺S109FA SS聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，燃氣輪機型號為PG9351，余熱鍋爐為加拿大福斯特·惠勒電力機械有限公司生產(chǎn)的高/中/低三壓、一次中間再熱、臥式、無補燃、自然循環(huán)余熱鍋爐。汽輪機為D10型高/中/低三壓、中間再熱、單軸、沖動式無抽汽純凝式機組。

2010－08－17 T 16:50，#1燃氣輪機正常啟動，輔汽溫度為195℃，軸封進氣溫度為178℃，高壓缸上缸內(nèi)壁溫度為136℃，差脹為0．11mm，0．71mm，缸脹為5．5mm，軸脹為7．7mm。軸位移為 －0．02 mm，－0．01mm。17:14，機組全速運行，振動最大值為0．05mm，振動正常，#1軸承金屬溫度為100℃。機組全面檢查正常后于17:17并網(wǎng)。17:18，燃氣輪機軸振、瓦振突然開始上升。油溫為49℃，#1瓦振、#2瓦振由3．38mm/s升至 8．27mm/s，1X 軸振由0．04mm 升至0．11mm，1Y 軸振由0．045mm 升至0．130 mm，2Y 軸振由0．016 mm 升至 0．070 mm。17:30，振動趨于平緩，1Y 軸振在0．190～0．210mm之間波動，1X軸振在0．170～0．190mm之間波動，17:45，機組1X 軸振緩慢上升至0．170～0．190mm，1Y軸振緩慢上升至0．220mm，自動執(zhí)行停機程序，停機時負荷為20 MW。#1瓦振、#2瓦振為13．00 mm/s，推力軸承溫度為71℃，差脹正常。停機過程中惰走時間與原先基本一致(為37min)，盤車電流正常(為53～54A)。

該機組從上一次檢修結(jié)束到恢復運行，共運行823 h，啟、停16次，振動值雖然升高，但壓氣機排氣壓力保持在0．97MPa左右，未見明顯異常。在盤車未停的情況下，目視檢查壓氣機的進氣道未見明顯異常，在排氣擴壓段具備檢查條件后進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。通過內(nèi)窺鏡孔檢查壓氣機的0～6級葉片及14～16級葉片，也未發(fā)現(xiàn)明顯異常。在檢查透平葉片時，發(fā)現(xiàn)燃氣輪機透平一級動葉出氣邊和一級噴嘴壁面涂層普遍有剝落現(xiàn)象，在三級透平出口下半缸位置發(fā)現(xiàn)較多直徑為3～6mm的金屬顆粒。二級護環(huán)的蜂窩狀密封損壞嚴重，一張三級動葉進氣邊靠近葉頂處有一異物打擊的小缺口。在排氣擴壓段發(fā)現(xiàn)金屬碎渣。燃氣輪機透平一級動葉輪轂上拉緊螺栓被異物擊傷，如圖1所示。

圖1 內(nèi)窺檢查發(fā)現(xiàn)一級動葉輪轂拉緊螺栓被異物擊傷

根據(jù)現(xiàn)場初步檢查情況，筆者懷疑透平轉(zhuǎn)子輪轂拉緊螺帽被轉(zhuǎn)子上脫落的物體(可能為平衡塊等松動脫落)打傷，從而導致此次事故停機。根據(jù)目前所知的損壞程度，決定對燃氣輪機和壓氣機進行解體檢查。在對壓氣機排氣缸解體后，發(fā)現(xiàn)壓氣機和燃氣輪機聯(lián)軸器螺栓中有1根完全斷裂脫落，對聯(lián)軸器和后端基體造成嚴重擊傷，最終確定此次停機的原因是由于壓氣機和燃氣輪機聯(lián)軸器螺栓斷裂造成的，斷裂螺栓位置如圖2所示。

2 螺栓斷裂的原因分析

圖2 斷裂螺栓位置

導致該燃氣輪機和壓氣機聯(lián)軸器螺栓斷裂的原因是多方面的，應從以下幾個方面逐一排查并對螺栓斷裂原因進行分析。

2．1 運行環(huán)境

(1)機組是否在超溫情況下運行。如果機組過熱導致聯(lián)軸器螺栓的材質(zhì)發(fā)生晶間裂紋，則輪間溫度會遠遠高于當前的報警值，而在運行過程中并未發(fā)生輪間溫度異常的情況，這一點可通過金相分析得到驗證，圖3表明在斷面的晶間擴張痕跡上并沒有發(fā)現(xiàn)交變應力或者過載的典型特征。圖3是用電腦編輯好的1張圖片，箭頭所示方向表示斷裂位置和同一位置的電子顯微鏡下微觀結(jié)構(gòu)，說明了顯微鏡下晶間擴張的位置，沒有標出箭頭方向的圖片是說明與右下圖片同一晶間擴張的位置。

(2)沒有發(fā)生不正常的工況變化，比如機組振動一直較高而導致的交變應力，如圖3所示。

(3)在運行過程中也沒有發(fā)現(xiàn)存在腐蝕性元素。

2．2 螺栓供貨方面

(1)材料的脆化和微結(jié)構(gòu)方面。圖4表明晶粒結(jié)構(gòu)符合ASTM8－10級的晶粒標準，在裂紋起源處的裂紋路徑是晶粒內(nèi)和晶粒間相混合的，表明材料的微觀結(jié)構(gòu)正常。

(2)材料的硬度、化學成分、材料缺陷、熱處理和尺寸方面。從損壞的螺栓孔和未損壞的螺栓上取樣，其化學成分在材質(zhì)規(guī)范要求的范圍內(nèi)。材料的延展性能在427℃和649℃時符合規(guī)范要求。螺紋和螺栓的硬度也符合設計規(guī)范要求。在裂紋起源區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)壓痕，沒有發(fā)現(xiàn)損壞的螺紋。

2．3 設計方面

該聯(lián)軸器螺栓采用了最新設計，所有的關鍵數(shù)據(jù)均符合設計標準，在組裝過程中，螺栓拉伸時的數(shù)據(jù)也符合設計標準要求。和其他轉(zhuǎn)子的螺栓相比，該聯(lián)軸器螺栓的強度明顯高于其他轉(zhuǎn)子螺栓的強度。

2．4 安裝方面

查閱組裝時螺栓拉長量的記錄發(fā)現(xiàn)，拉長量符合技術(shù)規(guī)范要求。在螺栓拆下時，測量了除受損螺栓以外的拉長量，這些螺栓的拉長量均小于典型的組裝要求。在安裝過程中，沒有使用對螺栓有腐蝕性的In718材料。該螺栓為一次性產(chǎn)品，只要在機組上使用過，在回裝時就必須使用新的螺栓，通過組裝記錄的追蹤檢查，可確認該螺栓為全新的螺栓。

圖3 斷面在掃描式電子顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)

圖4 斷面的晶間結(jié)構(gòu)

聯(lián)軸器連接法蘭處的槽口、螺栓孔及結(jié)合面的法蘭處的尺寸也符合規(guī)范要求，斷面的宏觀情況如圖5所示。

圖5 斷面的宏觀

圖6反映了裂紋源區(qū)的擴展模式，在源區(qū)有輕微的污臟痕跡。在螺栓安裝過程中，通常會在螺栓螺紋處涂一層含鎘的材料以防止螺紋鎖死，因此，在螺栓肩部、螺紋和裂紋表面發(fā)現(xiàn)含有2%～6%的鎘元素，同時在非裂紋區(qū)域的螺栓和其他螺栓上也發(fā)現(xiàn)富鎘區(qū)域。鎘元素在超高溫條件下會導致金屬脆化，因此，筆者推斷通過劃痕處滲透聚集的鎘元素使局部金屬脆化，最終導致螺栓在運行時迅速失效而斷裂。

圖6 裂紋源區(qū)的顯微鏡檢查

3 結(jié)論

從以上分析可以看出，鎘元素是導致金屬脆化的主要因素，由于在裂紋源區(qū)及周圍發(fā)現(xiàn)鎘元素異常偏高，因此，筆者推斷是在安裝或運輸過程中在螺栓表面形成了輕微的劃痕，鎘元素在該劃痕處聚集，造成該區(qū)域金屬脆化，最終導致了裂紋的擴展。

由于聯(lián)軸器螺栓斷裂會造成設備嚴重的損害，給業(yè)主帶來巨大的經(jīng)濟損失，因此，建議制造廠在螺栓的安裝和運輸過程中加強管理，避免運輸過程的碰撞和安裝過程中的意外損傷，杜絕類似事件再次發(fā)生，保證設備的安全運行。

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