25MW 汽輪機斷軸原因分析及修復方案

楊啟堯，黃世剛

（甕福（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550501）

1 汽輪機簡介

該汽輪機為青島某公司生產的CB25—3.43/1.61/0.6 型單軸、抽汽背壓式汽輪機，機組TRL 為25MW。額定進汽壓力為3.43MPa（絕壓），額定抽汽壓力為1.6MPa（絕壓），額定轉速為3000r/min，順汽流方向為順時針，機組為室內縱向順列布置，運轉層標高為7 米，主要參數見表1。汽輪機主要部件材料見表2。

表1

1.1 聯鎖跳停問題描述

2016 年1 月5 日01:50 機組聯鎖動作跳停，調查DCS記錄發，現軸瓦振動值高報、主油泵壓力迅速下降以及機組轉速迅速下降為零（如圖1）。

表2

圖1 故障停車DCS 畫面

機組聯鎖跳停前實際運行工況見表3。

表3

查 閱DCS 記 錄2016 年12 月 至5 日1:50 斷 軸 期 間 相關運行參數正常。2#軸瓦溫度測點（TI-74200-2）最高為84.1℃，低于報警值（85℃），溫度正常（如圖2）。

圖2 軸瓦溫度趨勢

圖3 軸瓦振動趨勢

汽輪機軸向位移最大為-0.228mm，低于軸向聯鎖動作值1.5mm。汽輪機前軸瓦（VI-75190）最高振值為21.54um，低于報警值50um（如圖3 所示）。

2 斷軸原因分析

2.1 斷軸檢查

拆卸發現汽輪機轉子推力盤軸套處斷裂（如圖4)，該軸斷裂部位為1#軸承（直徑為ф250mm）與推力盤安裝處（直徑為ф150mm）軸肩結合部位，實際斷口直徑為ф150mm，斷面至主油泵軸端長度為850mm（如圖5）。

圖4 軸斷裂部分圖片

圖5 軸系示意圖

2.2 軸斷裂部位宏觀分析

通過對圖6 斷面分析，軸斷面光滑且存在銹蝕和沉積油污，僅邊緣直徑約15mm 斷口為新斷痕，根據斷面顯示大致分為三個階段斷裂并逐步擴展直至斷裂，斷面無明顯塑性變形痕跡和斷口存在疲勞裂紋擴展前沿線，符合疲勞斷裂特征，均說明疲勞裂紋產生時間較長。斷面中摩擦痕跡應為軸完全斷裂后重啟動時斷口兩側摩擦造成。

查閱DCS 記錄該機組于9 月20 日、10 月5 日和11 月16 日三次停車記錄，且10月5 日發現油過濾器存在鐵屑，與上述推理斷面分為三個階段斷裂并逐步擴展吻合。

2.3 軸系設計缺陷

圖6 斷口面外觀

疲勞裂紋產生原因與設計及機械加工過程缺陷有關。斷口外觀可見，軸圓周方向分布粗大切向加工痕跡，且裂紋和加工臺階高度重合，造成應力集中。裂紋沿圓周方向萌生（圖7 黃色箭頭所示大半圈均為裂紋萌生處），在多次扭矩共同作用使斷面形成螺旋狀臺階。最終斷裂面積占比軸徑總面積較小，說明該軸系傳動扭矩很小。

經查閱DCS 記錄，汽輪機因加負荷使機組軸瓦振動高報甚至跳停，故該汽輪發電機組長期處于低負荷（2000 ～6000KW）運行。當12 月3 日提升負荷至10000KW，負荷加大使已經產生裂紋軸在強度上無法承受更大輸出扭矩而導致全部斷裂。

圖7 斷口面外觀

2.4 軸材料成分分析

該軸材料實測成分如表4，相當于國內牌號30CrMoV 或者34CrMoV，與德國34CrMo4 相當。含有足夠導致合金化影響的金屬釩，加入釩具有提高紅硬性和細化晶粒作用。

2.5 端口面微觀分析

對軸斷面進行金相組織分析，其表面為回火索氏體（見圖8），心部為鐵素體+回火索氏體（圖9）；金相組織無異常。

表4

圖8 掃描電鏡 200×

圖9 掃描電鏡1000×

對軸斷表面及心部進行硬度檢測，結果見表5。硬度檢測結果結合金相組織觀測結果，表明該軸熱處理狀態為淬火+高溫回火。

對軸斷口作SEM 觀察，裂紋萌生于軸邊緣，萌生區SEM圖像有明顯擠壓痕跡（圖10、11）。裂紋擴展區超聲波清洗仍殘留沉淀污染物（圖12）；最后斷裂區SEM 圖像表現為典型韌窩形貌（圖13）。

表5

圖10 軸邊緣裂紋萌生點

圖11 裂紋萌生區擠壓痕跡

圖12 污染沉積物

圖13 最后斷裂為典型韌窩

3 斷軸修復方案

汽輪機軸斷裂后，新軸加工及安裝需要時間較長，為及時恢復生產，經多種方案對比和反復論證，最終采用螺紋接軸方案，及將主油泵和斷裂推力盤部份軸用M80 螺紋連接到主軸上（見圖14）。

圖14 斷口面外觀 200×

3.1 強度校核計算

首先，對斷軸部分進行三維圖：由模型得轉動：I=3.41kgm2。

圖15 三維建模圖形

按傳遞最大扭矩進行計算，扭矩由升速產生扭矩和油泵負載產生扭矩兩部分組成。計算式如下：

注：式中按5 秒升速到3000rpm 計算α 角加速度；油泵最大功率按20KW 取值。

3.2 軸螺紋連接校核

該方案是通過螺栓壓緊面摩擦力傳遞扭矩，摩擦力使螺栓壓緊產生正壓力，故需按抗拉強度校核螺栓：

按表面粗糙度Ra0.4 查動摩擦因數為0.05（實際為靜摩擦，為了取更大壓力，按動摩擦計算）。

34CrMo 許 用 為835Mpa，（螺 紋M80×4 按 螺 栓 小 徑76mm 計算。）

通過計算結論為M80×4，連接螺栓強度滿足實際安全運行要求。實際安裝時，該螺栓部位預緊力可按照5 倍最低要求值執行。

4 結語

本次斷軸事故是典型低應力疲勞脆性斷裂事故。主要誘因是軸設計加工缺陷，軸肩沒有過渡圓角和明顯切向加工痕跡，裂紋和加工臺階高度重合，造成應力集中。斷口存在明顯凹痕是應力集中導致裂紋擴展起始點，裂紋沿圓周逐步萌生，在扭矩和沖擊等多因素作用使斷面成螺旋狀直至斷裂。

汽輪發電機組接軸從2017 年1 月26 日起投入運行至今，各項振動和溫度等運行指標平穩，無任何異常。