汽輪機低壓缸末級葉片斷裂的原因分析

摘要：文章對某115MW機組汽輪機低壓缸末級葉片斷裂原因進行了分析，認為葉片斷裂主要是由于水擊及連續(xù)高背壓、低負荷運行兩個原因所致，提出了需要注意的防范措施。

關鍵詞：汽輪機；低壓缸；末級葉片；斷裂

中圖分類號：TK267 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0080-03

1 概述

某電廠115MW機組在做完50%甩負荷試驗后，發(fā)現(xiàn)低壓缸末級葉片斷裂損壞，共有29片末級葉片存在不同程度的損傷，其中調(diào)端低壓缸末級葉片損傷14片，電端低壓缸末級葉片損傷15片，如圖1所示。

葉片受損的主要特征是：葉片扭曲變形，部分葉片開裂、斷裂；電端和調(diào)端兩端變形扭曲的方向相同；斷裂和開裂均發(fā)生在末級葉片梢部。

圖1 葉片斷裂損壞 圖2 汽輪機低壓缸轉(zhuǎn)子葉片

2 汽輪機低壓缸布置及葉片型式

汽輪機采用的是非再熱式高壓單軸、雙缸、兩排汽、凝汽式汽輪機，設5級抽汽回熱系統(tǒng)。就凝汽式汽輪機而言，從鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽經(jīng)由主閥門依次進入高中壓缸，再進入低壓缸，最終進入凝汽器。蒸汽的熱能在汽輪機內(nèi)消耗，變?yōu)檎羝膭幽埽缓笸苿友b有葉片的汽輪機轉(zhuǎn)子，最終轉(zhuǎn)化為機械能帶動發(fā)電機。

隨著蒸汽壓力和溫度的不斷降低，比容越來越大，為了保證足夠的通流與做功能力，汽輪機的葉片也越來越長。本機低壓缸設有2×5級動葉片，末級葉片長度為700mm，如圖2。

末級葉片主要技術規(guī)范：平均直徑2035mm，通流長度700mm，每側(cè)整圈葉片數(shù)60只，葉根軸向?qū)挾?46mm，工作轉(zhuǎn)速3000r/min，葉片型式為自由葉片，材質(zhì)為2Cr13調(diào)質(zhì)。

3 葉片斷裂的兩個原因分析

3.1 抽汽管道U型管段積水，甩負荷時積水進入汽缸將葉片損壞

在對汽機附屬管道設備進行檢查時發(fā)現(xiàn)，五段抽汽管道布置存在一個U型管段，其中水平段長度7m，在運行過程中會造成管段內(nèi)部積水。

圖3 抽汽管道U型管段

U型管道水平段設有疏水點，按汽輪機說明書規(guī)定，抽汽管道上的疏水閥門僅在機組啟動、停機和負荷低于20%時開啟，當負荷達到20%以上時，疏水閥門關閉，即負荷20%以上時抽汽管道內(nèi)就不再有疏水需要排除。且五段抽汽管道的防進水壁測點又錯誤地設計在母管上（U型高點處），運行中無法檢測抽氣管道U型底部積水狀況，如圖3所示。

五段抽汽管設計和運行工況各參數(shù)分別見表1和表2：

表1 #5低加設計工況

項目負荷50%負荷75%負荷100%

負荷（MW）57.586.4115

主汽壓力（MPa）9.329.329.32

主汽溫度 （℃）537537537

真空（kPa）-92-92-92

#5抽汽溫度 （℃）73.982.689.4

#5低加疏水溫度 （℃）72.781.388

#4低加凝結(jié)水進口溫度（℃）69.778.385

表2 #5低加運行工況

日期09/01/09

07:2808/01/09

02:5119/12/08

02:11

負荷（MW）56.4474.18114

主汽壓力（MPa）5.997.419.29

主汽溫度（℃）513524.06537

真空（kPa）-87.29-82.92-85.01

#5抽汽溫度（℃）71.5073.1472.43

#5低加正常疏水溫度 （℃）74.3578.8581.97

#4低加凝結(jié)水進口溫度（℃）54.1359.0355.48

從上表1和表2中可看出，#5低加在負荷為50%、75%、100%的設計工況下，抽汽溫度分別為73.9℃、82.6℃和89.4℃，但實際運行時的工況卻基本沒有變化，由此可知抽汽管道出現(xiàn)了堵塞的情況。

且#5低加在負荷為100%的設計工況下，抽汽溫度為89.4℃，但從現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)中可看出，五段抽蒸汽溫度從滿負荷開始波動，有異常跡象，14小時后從84.53℃下降到69.83℃，見圖4所示，這也說明了抽氣管道發(fā)生堵塞。

圖4 五段抽汽溫度運行曲線圖

對于該115MW機型，事實證明，負荷大于20%之后，五段抽汽管道內(nèi)仍有濕蒸汽的凝結(jié)水，積水需要通過疏水閥門排除，抽汽管道內(nèi)的疏水總量達到1600kg/h，如不及時排出積水，短時間內(nèi)即可將U型管底部堵塞。

在不知道疏水量的情況下，通過汽機熱平衡圖提供的三個蒸汽參數(shù)（壓力、溫度、焓值），從通用的水蒸汽熱力性能表上能夠查出它是含有約7%水份的飽和蒸汽。且從機組運行數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，其低加的凝結(jié)水溫升始終是2℃左右（額定設計值40℃），這也說明抽汽未能進入低加，由此可知抽汽管道被積水堵塞。

由于五段抽汽管存在積水，當機組甩負荷或負荷突降時，缸內(nèi)壓力突變，五段抽汽管內(nèi)部積水發(fā)生閃蒸，大量水汽通過五段抽抽汽口倒灌入低壓缸，汽輪機末級葉片受到水沖擊，導致部分末級葉片扭曲變形，引起動靜相碰，末級葉片發(fā)生斷裂。

據(jù)觀察，在甩負荷停機前，汽水品質(zhì)合格，但

3天之后對凝結(jié)水取樣，發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水電導率達到

153us/cm，鈉離子濃度達到15000ppb；由凝結(jié)水水質(zhì)惡化尋找到凝汽器鈦管破裂泄漏及已斷裂的葉片殘片。

3.2 汽機連續(xù)在高背壓、低負荷工況下運行，末級葉片因氣流激振或局部鼓風發(fā)熱發(fā)生不正常變形而

損壞

根據(jù)機組運行的600多小時記錄中，經(jīng)常連續(xù)帶40%～50%的負荷，而且，真空長時間在－81kPa至

－85kPa之間。當機組負荷為45MW、真空為－83kPa時，排汽容積流量僅為設計排汽容積流量的11%，末級葉片因氣流激振或局部鼓風發(fā)熱而發(fā)生不正常變形。

經(jīng)過現(xiàn)場查找原因與消缺，發(fā)現(xiàn)凝汽器內(nèi)部發(fā)電機側(cè)的軸封進汽管和抽汽管由于設計錯誤而接反，導致汽機長期在高背壓工況下運行。

凝汽器總圖中（見圖5），不論是高壓缸側(cè)還是發(fā)電機側(cè)，均表示軸封進汽管在上方（接口編號11），抽汽管在下方（接口編號12）。實際上，軸封進汽管和抽汽管在高壓缸測和發(fā)電機測的相互位置是不同的。在高壓缸測，進汽管在上方，抽汽管在下方；而在發(fā)電機測，進汽管卻在下方，抽汽管在上方。

圖5 凝汽器總圖

進汽管應通向軸封內(nèi)側(cè)，抽汽管應通向軸封外側(cè)，這樣建立起的汽封才能防止空氣從軸封間隙進入低壓缸。進汽管和抽汽管接反會使大量空氣進入低壓缸，造成汽機長時間處在高背壓下，加上調(diào)試期間機組處于長時間低負荷運行，引起末級葉片鼓風脫流與激振，導致葉片薄弱處產(chǎn)生疲勞裂紋。通過將接反的管道改正，機組的運行背壓即刻達到了設計值。

在汽機高背壓、低負荷的工況運行下，葉片制造超差也直接導致了斷裂事故的產(chǎn)生。

對于該115MW機組的末級葉片，葉型加工的允許偏差為：外背弧允差±1.27mm，內(nèi)背弧允差±1.27mm，葉型末端厚度允差為設計值的±10%，末級葉片靠近末端的設計厚度約2.5mm，但經(jīng)現(xiàn)場實測，且靠近末端的同一位置，不同葉片的厚度差別很大，大多在1.5mm以下，有的厚度僅有0.65mm，如圖6。

圖6 經(jīng)測量葉片厚度僅有0.65mm

末級葉片的葉型加工超差，葉頂區(qū)域的厚度太薄，在高背壓低負荷運行的工況下，葉片產(chǎn)生自激振動，引發(fā)葉頂薄弱處產(chǎn)生疲勞裂紋。如圖7所示，該葉片雖未斷裂，已明顯存在了疲勞裂紋，它的斷裂是遲早的事。

圖7 葉片產(chǎn)生疲勞裂紋

4 葉片斷裂的防范措施

在抽汽管道上設置U型管段時，必須要考慮在任何工況都要疏水通暢，以便保證U型管段中不得積水。在日常運行中要嚴格執(zhí)行運行規(guī)程，加強對設備運行的管理和監(jiān)督，防止低壓缸抽汽管道積水。

凝汽器內(nèi)部發(fā)電機側(cè)的軸封進汽管和抽汽管需設計正確。在設計階段，主機（汽封體）、輔機（凝汽器）與系統(tǒng)設計人員應進行很好的配合和溝通。由于設計錯誤隱蔽、極難發(fā)現(xiàn)，提早預防、有效溝通，可避免后期為此而耗費大量的時間、人力和物力。

嚴格把關末級葉片制造超差。在設備加工和現(xiàn)場施工過程中，需要對汽輪機轉(zhuǎn)子等重要部件進行材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸等全方位的檢查和管理，保障設備的安全運行。

5 結(jié)語

115MW汽輪機末級葉片斷裂事故的兩個原因是由于抽汽管道U型管積水以及汽輪機長期在高背壓、低負荷工況下運行，針對這兩個原因提出的防范措施是U型管道要保持疏水通暢、凝汽器內(nèi)部發(fā)電機側(cè)的軸封進汽管和抽汽管需設計正確以及要嚴格把關葉片制造超差。另外，在機組運行中需加強監(jiān)察，及時消除不正常運行的隱患。

作者簡介：成媛媛（1978-），中國機械設備工程股份有限公司工程師，工學碩士，研究方向：項目管理。

（責任編輯：周 瓊）