6MW汽輪機轉(zhuǎn)子軸頸處裂紋分析及處理

劉廣俐

摘 要：針對某6MW背壓式汽輪機轉(zhuǎn)子軸頸上出現(xiàn)裂紋，進(jìn)行超聲波探傷，確定了裂紋的長度及深度，通過對汽輪機轉(zhuǎn)子進(jìn)行壽命評估，依據(jù)轉(zhuǎn)子的設(shè)計、制造、機組的運行里程及歷次檢修檢查結(jié)果，對轉(zhuǎn)子危險部位進(jìn)行了應(yīng)力分析和裂紋車削前和車削后的疲勞壽命評估，確定裂紋的解決方案。

關(guān)鍵詞：汽輪機轉(zhuǎn)子；軸頸；裂紋；扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；許用應(yīng)力

由我公司設(shè)計制造的一臺6MW背壓式汽輪機（B6-2.2/0.245）于2008年在巴基斯坦某糖廠投入運行。機組在2015年8月大修時，意外發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸頸旁出現(xiàn)1條裂紋。于是糖廠通過肉眼觀察和進(jìn)行超聲波探傷檢查，并將檢查報告反饋我公司，要求提出具體解決方案。

1 轉(zhuǎn)子軸頸裂紋的現(xiàn)場檢查和分析

本汽輪機轉(zhuǎn)子后軸承軸頸寬度180mm，直徑φ140mm，主軸材料為：34CrNi3Mo。現(xiàn)場的檢查情況是：距后軸承中心70mm的軸頸位置發(fā)現(xiàn)1條宏觀裂紋，正好位于軸頸與后軸承座油封間的倒角位置上，裂紋為徑向方向，裂紋長度為14-15mm，在掃描區(qū)域可見裂紋深度為5-8mm。

2 事故診斷分析

轉(zhuǎn)子是汽輪機組最重要的關(guān)鍵部件，其工作狀態(tài)比較復(fù)雜，在高溫、高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，既承擔(dān)著較大的離心應(yīng)力及傳遞功率所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，又承擔(dān)著較大的熱應(yīng)力，還可能產(chǎn)生彎曲、振動等。轉(zhuǎn)子在高溫環(huán)境下運行，同時在汽輪機啟、停和變負(fù)荷過程中承受交變應(yīng)力，會產(chǎn)生低周疲勞。蠕變和疲勞同時存在，兩者是交互作用的，產(chǎn)生疲勞損傷，特別是對調(diào)峰機組和做驅(qū)動用的機組來說更為嚴(yán)重。因此，汽輪機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋的情況非常多，后果也很嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子體出現(xiàn)裂紋是最大的安全隱患之一。

產(chǎn)生裂紋的原因如下：

（1）調(diào)峰期間或者熱應(yīng)力對轉(zhuǎn)子的影響。熱應(yīng)力主要發(fā)生在高中壓轉(zhuǎn)子的前幾級，它是由于轉(zhuǎn)子各部分溫度不均勻，各部分材料之間膨脹或者收縮互相限制而引起，材料經(jīng)過多次交變應(yīng)力的作用之后，有可能產(chǎn)生疲勞裂紋，溫差越大，產(chǎn)生疲勞裂紋的期間就越短。

（2）熱變形及蠕變影響。在汽輪機啟動、停機或者汽缸疏水不暢時可能出現(xiàn)這種情況。熱變形將會引起轉(zhuǎn)子的彎曲，而發(fā)生彎曲的轉(zhuǎn)子投入運行是很危險的。蠕變現(xiàn)象是高溫區(qū)段的材料在離心應(yīng)力的作用下，緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，嚴(yán)重的蠕變將導(dǎo)致材料的斷裂。

（3）機組啟停操作原因。汽輪機在啟動或者停機時操作不當(dāng)，機組啟動時間不充足，啟動過程中暖機時間短，熱應(yīng)力較大。

（4）機組可能發(fā)生過嚴(yán)重的斷油燒瓦，機組轉(zhuǎn)速降到零之前，供油系統(tǒng)未能恢復(fù)，導(dǎo)致軸頸表面產(chǎn)生裂紋。

對該機組軸頸處的裂紋進(jìn)行超聲表面波檢測，和裂紋深度測量，根據(jù)檢測結(jié)果對事故成因進(jìn)行分析。此汽輪機轉(zhuǎn)子的軸承寬112mm，裂紋不在軸頸與軸承接觸面上，后軸承軸頸處主要承受傳遞功率所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。（1）軸頸處工作溫度在100℃左右，工作壓力為大氣壓。軸頸裂紋處的工作溫度不高，因此由于熱應(yīng)力造成裂紋的可能性較小。（2）裂紋位于軸頸與后軸承座油封間的倒角位置上，有可能是此處倒角在轉(zhuǎn)子加工過程中倒角處無光滑過渡并拋光，在機組在長期運行過程中，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下出現(xiàn)小裂紋，并發(fā)展成大裂紋。（3）軸頸處載荷相對過大，可能經(jīng)常出現(xiàn)少油或者缺潤滑油的狀態(tài)，導(dǎo)致軸頸表面產(chǎn)生裂紋；（4）該轉(zhuǎn)子在鍛件鍛造時軸頸處可能已存在微小的裂紋，裂紋正好位于表面探傷檢查的死角上，在檢驗及加工過程未發(fā)現(xiàn)裂紋，機組在長期運行過程中微小裂紋演變成大裂紋。

3 裂紋的處理

對汽輪機轉(zhuǎn)子進(jìn)行壽命評估，依據(jù)轉(zhuǎn)子的設(shè)計、制造、機組的運行里程數(shù)和歷次檢修檢查結(jié)果，對轉(zhuǎn)子危險部位進(jìn)行了應(yīng)力分析和裂紋車削前和車削后的疲勞壽命評估，并計算軸頸處所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的最大值，與此處的許用應(yīng)力比較，推算此軸頸是否夠承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。根據(jù)裂紋深度為5-8mm，初步的維修方案是產(chǎn)生裂紋處單邊車10mm，即由原來φ140mm加工至φ120mm，根據(jù)加工后的直徑尺寸φ120mm計算軸頸處的切應(yīng)力，計算結(jié)果如下：

已知：材料 34CrNi3Mo

切向σ0.2（MPa） 670

最大功率N（kW） 6600

最小轉(zhuǎn)速n（rpm） 5700

直徑d（m） 0.12

求解：ns=2

[σ]=σ0.2/ns=670/2=335（MPa）

[τ]=0.6*[σ]=0.6*335=201（MPa）

轉(zhuǎn)矩T=9550N/n=9550*6600/5700=11057.9（N*m）

抗扭截面模量WT=πd3/16=3.14*0.12^3/16=0.0003393（m3）

軸的切應(yīng)力τ=T/WT=11057.9/0.0003393/1000000=32.6（MPa）

結(jié)論：τ<[τ]，加工后的直徑尺寸φ120mm計算軸頸處的切應(yīng)力τ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力[τ]，該處理方案理論上可行。初步維修方案見圖1。

圖1 維修方案

特別說明：（1）修復(fù)工作必須嚴(yán)格按照圖1所示執(zhí)行。（2）如按方案要求加工的位置不能夠滿足去除所有的裂紋，請及時反饋。（3）加工完后重新進(jìn)行超聲波探傷，合格后轉(zhuǎn)子方可使用。

客戶根據(jù)最初的維修方案經(jīng)過車削處理以后，肉眼觀察裂紋無擴展，進(jìn)行全面的超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋。該汽輪機組于同年10月完成檢修工作，并重新投入運行。

4 裂紋產(chǎn)生的防止措施

為了防止轉(zhuǎn)子發(fā)生斷裂，在運行上采取了以下措施：

（1）發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有裂紋的機組一般不參與啟停式調(diào)峰，以減少啟停次數(shù)，減少對機組的熱沖擊。

（2）機組在啟動時，要減慢啟動速度，延長啟動時間；沖車前要嚴(yán)格控制汽溫、汽壓參數(shù)。在沖車時，適當(dāng)延長沖車時間，機組帶負(fù)荷速度減慢。

5 結(jié)束語

發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有裂紋的機組，在修復(fù)后繼續(xù)投入使用時，在啟停過程中應(yīng)該放慢啟動速度，延長啟動時間，盡量減小熱應(yīng)力，以保證機組的安全。同時，健全機組的壽命管理體系，加強設(shè)備可靠管理，保證設(shè)備安全。

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