汽輪機調速器連桿機構斷裂受力分析與技術改造

程玉春(神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010)

1 概況

B1.6-1.6/0.66型多級背壓式汽輪機組，由杭州大路實業有限公司設計生產。采用1.73MPa蒸汽動力源，背壓蒸汽0.46MPa，兩級壓力級，一級復速級，調速系統控制采用以微處理器為基礎的505調速器。調速器采用菜單式驅動軟件以引導現場操作根據具體的機械驅動應用要求，對調速器進行編程組態。505調速器設置成獨立單元，并連同中控室DCS系統一起運行。該汽輪機組驅動一臺2000KW水泵，實現連續運轉。汽輪機調節系統是由調速器，調節汽閥連桿，主汽閥，調節汽閥部件組成，通過對汽輪機運動轉速或負荷起到自動調節和控制的作用。在實際運行過程中，出現了調速器連桿機構發生過2次斷裂，導致汽輪機跳車。對該汽輪機連桿機構進行了連桿的材質結構和受力分析，找出其不合理性，實施了改造，消除改汽輪機連桿故障跳車隱患。

2 調速器連桿機構故障分析

2.1 調速器連桿機構

調速器采用PGPL執行器蒸汽透平控制的電液執行機構，執行器配備一個專用齒輪和磁阻式轉速傳感器，通過調速器驅動來檢測發動機轉速，從PG機械液壓調速器轉換到電子控制系統。調速器執行機構通過連桿構件與調速閥門相連接，連桿機構見(圖1、2)。

圖1 調速器連桿圖

圖2 調速器連桿簡圖

2.2 調速器工作原理

Woodward 505調速器由電子調速電路、就地控制盤、轉速磁性探測探頭和調速器電業控制機構四部分組成，它與汽輪機符合(出口流量)調節器構成串級調節系統，主調節器為組態DCS中的汽輪機負荷(出口流量)PID調節模塊，主參數為出口流量，副調節器為WOODWARD505調速器，出口流量與SP調速器的設定值SP，在505調速器內部的轉速控制PID模塊中，出口流量SP與轉速測量值N進行比較，產生偏差，放大后去控制調速器電液控制機構調節轉速，從而實現對汽輪機負荷的調節[1]。該B1.6-1.6/0.66型多級背壓式汽輪機組在啟動時達到800RPM/MIN時，505調速器自動接管調速控制，當輸入給定轉述時，調速器會同步輸出型號控制主蒸汽閥門開度，自動調節至規定轉速。

調速器傳動機構通過伸縮連桿(圖-2)往復運動，以固定架為支點，產生轉動力矩，帶動汽輪機出氣閥門實現自動調節。連桿①經調速器產生動力往復運動，當向右側運動時，連桿②順時針旋轉，帶動主蒸汽閥門桿③向左側移動，蒸汽閥門開大，蒸汽量增大，汽輪機轉速提高。反之當連桿①當向左側運動時，連桿②逆時針旋轉，帶動主蒸汽閥門桿③向右側移動，蒸汽閥門開小，蒸汽量減少，汽輪機轉速降低。

2.3 汽輪機運行參數

汽輪機運行參數如表1所示。

表1 汽輪機運行參數

3 故障分析

3.1 故障問題一

該汽輪機在運行過程中，調速器連桿機構在運行了6個月先后兩次連桿機構斷裂故障，導致汽輪機跳車(見圖3、圖4)。

圖3、圖4在汽輪機運行過程中，調速器連桿機構在調速過程中，連桿插口處突然斷裂，斷口整齊，斷面有金屬光澤，卡口處側面有磨損深痕，斷裂后連桿控制系統失效，汽輪機緊急停車。

圖3 調速器連桿③斷裂

圖4 調速器連桿③斷裂表面出現磨痕

3.2 故障問題二

汽輪機運行一段時間后突發跳車，經檢查發現連桿與調速閥門連接U型接頭斷裂(見圖5、圖6)。該U型接頭與連桿③用φ12mm銷柱鉸連接，只能做拉伸運動來控制閥門開度。

圖5 U型連接頭斷裂

圖6 調速器連桿U型連接頭

汽輪機在正常運行時，一般情況下調速器連桿機構是起到杠桿原理的作用，受調速器輸出信號變量，產生動能傳遞連桿往復動作，實現蒸汽閥門開關控制調節。但出現U型接頭一端斷裂，則說明該接頭收到轉動力矩較大，存在較大應力導致斷裂，分析該問題并采取措施加以解決。

4 故障分析

4.1 故障分析問題一

調速器連桿接頭斷裂。連桿插頭中間是銷柱，其運行往復運行方式看出連桿插頭部位收到剪切力作用。受力分析見圖7。

圖7中調速器連桿收到剪切力P作用，向左移動，帶動注銷連桿向左移動，接頭下端收到P1作用力。分析A-A截面(斷裂面)

圖7 調速器連桿受力圖

4.1.1 計算受力情況

連桿材質為20#優質碳素鋼，10#鋼鍛件在225℃時的許用應力是130MPa，一般情況下塑性材料的剪切強度極限約等于其拉伸極限強度值的60%～80%。既[τ]=(0.6-0.8)[σ]，20#鋼剪切應力取[τ]=0.7×130=91.0MPa[2]。

計算PGPL型調速器傳輸機構連桿剪切力分析：已知條件 液壓驅動功率最大(P)375W(牛頓·米/秒),頻率響應調速器10%～90%回轉速率(VS)670ms，行程(L)25mm。連桿受力截面尺寸(A)0.02×0.008m2。則調速器在回轉狀況下的輸出力為Q=P/(L÷VS)=375×670×103/(25÷670)=10050N。

根據剪切力公式：

經核算調速器連接桿接頭處τmax=62.81MPa，許用剪應力[τ]=91.0MPaτmax＜[τ]，連桿受力滿足抗剪切力條件[3]。

4.1.2 連桿斷裂面結構分析

從圖4中可以看出，連桿側面有明顯擠壓磨痕，說明在運行過程中產生很大的扭力矩，受力端銷柱磨損已變形，在擠壓應力和拉應力的聯合作用下，連桿已出現金屬延伸變形，在交變載荷作用下金屬出現疲勞，易發生斷裂。

從開槽部位上看結構不合理，在加工U型槽時，直角處沒有設置倒角，時U型槽根部加工過程產生應力集中，在根部的剪切應力值最大，材料或結構在交變載荷作用下產生的破壞屬于疲勞破壞。首先分析汽輪機連桿產生交變應力有以下幾個方面：

(1)汽輪機進汽壓力突然波動，導致調速機構迅速動作，連桿受拉伸力和旋轉力同時作用下，產生較大交變應力。

(2)汽輪機進汽溫度過低，導致蒸汽凝液進入機體內產生葉片沖擊，產生強烈振動，致使調速器連桿震顫，受力增大。

(3)當系統出現異常故障導致汽輪機聯鎖動作跳車時，可使調速器連桿克服進汽壓力迅速關閉，傳遞給連桿很大的作用力。

這樣調速器連桿機構在交變循環應力作用下，且連桿受力處逐漸產生局部擠壓永久性磨痕損傷，經數次循環次后逐漸產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。 當材料和結構受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料和結構的破壞現象屬于金屬的疲勞破壞[4]。調速器連桿機構的疲勞特性不僅決定于材料本身，而且還決定于構件的形狀，尺寸、表面狀態、服役條件和環境等方面，而在實際運行中工藝條件變化引起的汽輪機頻繁波動的影響，導致調速器連桿機構受交變載荷的循環應力作用有很大因素。以上分析，確認連桿斷裂部位受循環應力影響發生的疲勞斷裂。

4.2 故障分析問題二

調速器連桿U型接頭斷裂分析。從接頭斷裂面分析，是受到扭轉剪應力破壞，受力分析(見圖8、圖9)。

圖8 連桿接頭見圖

圖9 連桿接頭三維圖

計算斷裂截面A面積：已知R=20；a=16/2=8；則面積A為

圓軸扭轉剪應力計算。圓軸扭轉是強度計算公式，T為外力扭矩N·m；Wt為抗扭截面模量。

T—外力扭矩計算，汽輪機進汽壓力(P)1.6MPa，切線進入調節閥內，與閥桿和閥板成90°角，對閥芯產生旋轉力，由閥桿帶動連接部位產生旋轉扭力。閥芯直徑d=220mm與蒸汽接觸面積為S，則：

連桿接頭邊緣最大扭矩：

Wt為抗扭截面模量計算，實心圓截面

在靜載荷作用下，材料的許用扭轉剪應力[τ]與材料許用拉應力[σ]之間存在如下關系：塑性材料[τ]=(0.65-0.7)[σ]，故[τ]取0.65[σ].20#優質碳素鋼，20#鋼鍛件在225℃時的許用應力是130MPa，20#鋼剪切應力取[τ]=0.65×130=84.5MPa。

以上數據得出：

扭轉剪應力τ1=94.98MPa＞[τ]=84.5MPa，在最大扭轉剪應力情況下發生斷裂。

純剪應力τ2=77.43MPa＜[τ]max=84.5MPa，連接桿件在純剪切力作用下，不會發生斷裂。

4.2.1 調速器連桿U型接頭斷裂分析

數據分析結果看出，導致調速桿U型連接件斷裂的原因是扭轉剪應力過大造成的。就是說明汽輪機進汽壓力1.6MPa進入閥門腔體內與閥座成90°轉化為了扭轉力。這種情況只有在汽輪機蒸汽壓力突然波動或者蒸汽帶凝液情況下，造成閥門突然開大或關小，引起的調速桿震顫，機體振動。這次調速器連桿U型接頭斷裂跳車趨勢查詢發現蒸汽壓力及調速器閥位波動曲線極為劇烈，機體振動值變化增大。屬于異常情況下，造成調速閥桿的扭轉力過大是發生U型連接件斷裂的主要原因。

5 采取措施

5.1 故障問題一采取的措施

(1)提高調速器連桿材質，由20#鋼提升材質為40Cr材質，40Cr鋼[σmax]=735MPa，性能優越，鋼表面經過淬火硬化處理，增強了接頭耐磨性。

(2)調速器連桿尺寸厚度由10mm增加至12mm，增大受力面積，提高強度。

(3)改善調速器連桿插頭端結構，增設倒角(見圖10、圖11)。目的是避免夾角處的裂紋產生，圓角過渡消除殘余應力，延長桿的壽命。

圖10 調速器連桿

圖11 調速器連桿U型接頭

5.2 故障問題二 采取的措施

(1)提高調速器連桿材質，由20#鋼提升材質為40Cr材質，40Cr鋼[σmax]=735MPa，性能優越，鋼表面經過淬火硬化處理，增強了接頭耐磨性[2]。

(2)閥桿接頭結構尺寸相應加大，提高金屬強度。

(3)改善調速器閥桿接頭端結構，增設倒角(見圖11)。目的是避免夾角處的裂紋產生，圓角過渡消除殘余應力，延長桿的壽命。

(4)加強運行維護措施。汽輪機在運行過程中，嚴格控制進汽壓力和溫度波動，不允許出現大幅度數值跳動，進氣壓力控制在1.55～1.60MPa范圍內，進氣溫度控制在295～310℃范圍內。防止調速器閥門出現調整震顫，造成連桿機構受力不均發生斷裂[3]。

6 結語

B1.6-1.6/0.66型多級背壓式汽輪機組在運行中連續出現兩次調速器連桿機構斷裂；對其連桿構件斷裂部位進行了應力分析，通過材質提升，結構尺寸優化，工藝控制措施，解決了上述問題，自汽輪機調速器連桿機構改造后，再沒有發生過調速器連桿斷裂或彎曲等故障，本次技術改造良好，達到了消除隱患的目的。