大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉斷裂分析

郭慶華

哈爾濱電機廠有限責任公司 哈爾濱 150040

2008年至2015年,我國火力發(fā)電機組躍進式發(fā)展,裝機容量及數(shù)量達到了空前規(guī)模。與此同時,在電廠機組檢修過程中,也發(fā)現(xiàn)了許多問題[1-3]。筆者對大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉斷裂事故進行分析,并在此基礎(chǔ)上總結(jié)導(dǎo)致大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉斷裂的原因,提出防范措施。

1 大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉常規(guī)結(jié)構(gòu)

目前,我國大部分大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉安裝時采用圖1所示結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱脹冷縮原理,將風扇座環(huán)加熱至規(guī)定的溫度,并安裝至轉(zhuǎn)子本體上。冷卻后,風扇座環(huán)與轉(zhuǎn)子本體過盈配合為一體。將風扇葉穿入風扇座環(huán)安裝孔中,用定位銷將風扇葉定位在風扇座環(huán)的最終位置上。定位銷既可以防止汽端與勵端風扇葉裝反,又可以防止機組運行中風扇葉與風扇座環(huán)間產(chǎn)生相對位移。定位銷安裝完畢后,將鎖片、螺母旋在風扇葉螺桿上,并按照所要求的力矩擰緊螺母,由鎖片鎖緊螺母。

2 斷裂原因

基于以往大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉斷裂事故的分析,總結(jié)風扇葉斷裂的主要原因[4-5]。

圖1 大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉常規(guī)安裝結(jié)構(gòu)

(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計不當。如風扇葉材質(zhì)強度不滿足使用要求,以及風扇葉結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,存在應(yīng)力集中,不滿足正常運行要求等[6-8]。

(2) 制造過程存在缺陷。如風扇葉材質(zhì)內(nèi)部存在氣孔氣泡、風扇葉自身存在裂紋等。

(3) 安裝使用不當,具體包括:① 風扇葉松動,由風扇螺母未擰緊、鎖片鎖固不到位等引起;② 在運行過程中,風扇葉主要承受離心載荷、氣動彎矩和熱載荷,在轉(zhuǎn)子起動、運轉(zhuǎn)、停機的過程中,載荷發(fā)生往復(fù)循環(huán)變化,載荷較大時,會導(dǎo)致風扇葉疲勞失效,以及導(dǎo)風環(huán)或內(nèi)端蓋脫落;③ 風扇葉在運行過程中,導(dǎo)風環(huán)存在振動,在重力作用下松動下沉,會造成風扇葉與導(dǎo)風環(huán)碰撞磨損;④ 風扇螺母擰緊力矩過大,會導(dǎo)致風扇葉螺紋部分受到的拉力大于風扇葉材質(zhì)的剪切強度,進而產(chǎn)生裂紋;⑤ 風扇葉與導(dǎo)風環(huán)間的間隙不滿足圖紙要求,會導(dǎo)致風扇葉與導(dǎo)風環(huán)產(chǎn)生碰撞磨損。

3 案例分析

3.1 現(xiàn)場情況

隨著近年來大型發(fā)電機技術(shù)的快速發(fā)展,設(shè)備零件在設(shè)計、工藝、材料、加工質(zhì)量等方面都有了很大提高,風扇葉自身設(shè)計及加工不合理等斷裂原因基本消除,大部分斷裂事故原因為現(xiàn)場安裝不當。

某電廠600 MW發(fā)電機在2018年9月進行例行檢修,檢查時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機勵端出線盒絕緣板上方存在大量金屬碎片。經(jīng)進一步檢查,發(fā)現(xiàn)有兩片風扇葉從根部斷裂并飛出,并且有多片風扇葉損傷。飛出的風扇葉擊傷定子端部線圈絕緣處。此外,在導(dǎo)風環(huán)靜葉片上存在多處斷裂,以及嚴重的碰撞磨損現(xiàn)象。

3.2 風扇葉檢查

為了查找風扇葉斷裂的具體原因,在現(xiàn)場對該大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉進行全面檢查,具體檢查項目、結(jié)果及結(jié)論見表1。

表1 大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉檢查情況

由表1可以看出,風扇葉與風扇座環(huán)間的鎖片沒有鎖緊,螺母與螺桿間存在松動,不符圖紙要求,不合格。

3.3 斷裂處檢查

風扇葉斷裂處形貌如圖2所示,可見兩片風扇葉斷裂的位置相同,均在風扇葉螺桿根部,這是風扇葉受力最大的部位。12號風扇葉螺桿斷口為平斷口,1號風扇葉螺桿斷口為斜斷口,12號風扇葉損壞較為嚴重。經(jīng)分析判斷,12號風扇葉螺桿首先斷裂,由高速碰撞等原因造成嚴重損壞。1號風扇葉與其它風扇葉均有不同程度的碰撞損壞,原因是12號風扇葉螺桿斷裂后,與其它風扇葉產(chǎn)生碰撞。由以上分析可以判斷,1號風扇葉螺桿是后續(xù)發(fā)生斷裂的。

圖2 大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉斷裂處形貌

3.4 斷口檢查

對12號風扇葉的斷口進行檢查[9],如圖3所示。可見整圈斷裂沿螺紋根部起源,向螺紋心部發(fā)展。12號風扇葉螺紋斷裂橫截面形貌如圖4所示,斷裂最先起源區(qū)長約10 mm,從螺紋根部向下有一個斷裂臺階,深約1.5 mm。

3.5 螺紋檢查

將12號風扇葉的螺桿、螺母由中分面縱剖,如圖5所示。可見螺母與螺桿的螺紋不匹配,完全咬合的只有兩個牙,其余都沒有完全咬合。螺桿第一牙距螺紋底部約有2 mm間隙,第二牙距螺紋底部約有1.5 mm間隙,第三牙距螺紋底部約有1 mm間隙。檢查發(fā)現(xiàn),斷裂最先起源于第二、第三牙的根部,且裂紋與螺桿軸線平行。其中,第二牙根部的裂紋長約1.5 mm,第三牙根部的裂紋長約1 mm。

12號風扇葉的螺桿、螺母安裝情況與正常螺桿、螺母安裝情況如圖6所示,可見與正常安裝情況不同,12號風扇葉的螺桿端部高出螺母一個螺紋的距離,而正常安裝后螺桿則應(yīng)與螺母平齊。

圖3 12號風扇葉斷口形貌

圖4 12號風扇葉螺紋斷裂橫截面形貌

圖5 12號風扇葉螺桿、螺母縱剖面形貌

3.6 金相檢查

對1號、12號風扇葉的螺桿斷口進行金相組織檢查[10],分別如圖7、圖8所示。檢查結(jié)果顯示,金相組織均為鋁的α相及鋁硅共析相,金相組織正常。

圖6 大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉螺桿、螺母安裝情況

圖7 1號風扇葉螺桿斷口金相組織形貌

3.7 螺母檢查

12號風扇葉螺母如圖9所示,可以看出螺母兩個夾角處的螺紋沒有加工完全。

3.8 分析小結(jié)

12號風扇葉螺母有部分螺紋沒有加工完全,存在瑕疵,造成螺母在裝配狀態(tài)下不能順利旋入風扇葉螺桿根部,導(dǎo)致風扇葉螺桿與螺母無法擰緊,出現(xiàn)鎖片松動情況。施工人員為了擰緊螺母,擅自增大螺母緊固力矩,使風扇葉螺桿緊固力矩嚴重超出材料的屈服極限,導(dǎo)致風扇葉螺桿在受力最大的螺紋根部處產(chǎn)生裂紋。

機組運行過程中,在離心力和力矩等載荷的作用下,風扇葉螺桿螺紋根部的裂紋逐漸延伸,最終導(dǎo)致風扇葉螺桿根部斷裂,風扇葉飛出。

斷裂的12號風扇葉飛出后,擊傷其它風扇葉,導(dǎo)致其它風扇葉產(chǎn)生斷裂,受到損傷,以及出現(xiàn)定位銷斷裂等情況。飛出的風扇葉還擊傷了導(dǎo)風環(huán)和定子線圈端部。

圖9 12號風扇葉螺母

4 防范措施

根據(jù)上述案例分析,提出大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇葉斷裂的防范措施。風扇葉在安裝過程中,除對風扇葉進行嚴格檢查外,還需要對螺母、鎖片等鎖緊件進行檢查。在安裝前進行預(yù)裝,無任何問題后,按照制造廠圖紙要求的緊固力矩對螺母進行緊固,嚴禁使用大于要求的緊固力矩,并按要求對所有鎖片進行有效鎖緊。