某電廠燃氣輪發電機導電螺釘斷裂事故分析

曾憲英

(南京汽輪電機(集團)有限責任公司， 南京 210037)

某9E級燃氣電廠采用兩臺135 MW靜態勵磁發電機。該型發電機通過非原動機端兩個滑環，并經過滑環上的導電螺釘將勵磁電流導入轉子內。如果中間有某個環節出現斷路，發電機即出現失磁跳機。

事故發生在1號發電機上，某日深夜突然報出轉子接地報警，然后失磁跳機。機組完全停下后，在運行現場檢查后發現，內側滑環導電螺釘頭部斷裂飛出，并且導電螺釘及滑環之間拉弧燒毀。

1 事故介紹

1.1 損壞處結構

1號發電機為135 MW靜態勵磁發電機，勵磁電流通過“電刷—滑環—導電螺釘—導電桿”的路徑進入發電機轉子。本次事故發生在靠原動機端的內側滑環處(見圖1)。導電螺釘與導電桿螺紋連接，然后由頭部螺母將滑環與導電螺釘壓緊，其余部分均做絕緣處理，確保所有導電部分與轉子軸絕緣防止接地。

圖1 損壞部分結構

根據現場檢查，導電螺釘頭部連同螺母一起從根部斷裂飛出，滑環安裝導電螺釘處燒毀。

1.2 初步分析事故過程

根據對損壞部件的觀察分析，可以初步確定整個損壞過程：導電螺釘頭部首先在根部斷裂(見圖2)，斷裂位置為變徑處，斷裂后頭部飛出，造成勵磁回路斷路。回路一旦斷裂，其無法儲能，將會在斷路處產生一個巨大電壓，導致此處拉弧。由于轉子線圈為一個巨大的電感(勵磁電流893 A、勵磁電壓403 V),儲能很大，使滑環上的金屬悶頭與剩余導電螺釘之間拉弧燒融(見圖3)，最終使剩余導電螺釘大部分變成銅水飛出，同時在滑環處燒出缺口，導電螺釘底部螺紋最后無法承受高溫下的離心力飛出(見圖4)。

圖2 導電螺釘頭部

圖3 滑環燒毀部分

圖4 導電螺釘根部

判斷基于以下原因：首先飛出的頭部包括斷面都沒有高溫燒灼的痕跡，但處于同一位置的滑環及悶頭卻有嚴重的燒蝕，所以可以判斷燒融發生前頭部就已經飛出。底部螺紋部分斷面有明顯的燒蝕痕跡但螺紋部分卻沒有，則說明燒融并不是發生在底部螺紋部分。同時導電螺釘有大部分消失，但刷架內有大量銅水噴濺形成的銅屑，可以使導電螺釘化為銅水的溫度只有電弧可以產生出來，所以可以得出導電螺釘斷裂后與滑環拉弧燒融的結論(見圖5)。

圖5 事故過程示意

2 事故分析

2.1 檢驗結果

首先對導電螺釘進行了成分檢驗和強度、硬度檢驗。

檢驗結果為：同批次的導電螺釘拉伸試驗中抗拉強度270 MPa,伸長率31%，布氏硬度80(HBW5/250/30)。化學成分檢驗結果同批次導電螺釘Cu+Ag為99.901%，發生斷裂的螺釘Cu+Ag為99.97%。該導電螺釘原始材質為T2銅，狀態為Y2，依據標準以上試驗結果均滿足相應要求。

另外對發生失效斷裂的螺釘進行了金相顯微組織分析和硬度檢驗。由于發生斷裂后殘留的斷口表面大部分被機械損傷，僅有少量原始斷口痕跡，理化分析受部位所限僅能反映部分斷裂特征。斷裂螺釘尚保留原始斷口的部位,斷口表面有明顯的塑性變形，為后期的撕裂，而非起始斷裂點。斷裂螺釘和同批次的另外一枚螺釘心部的金相組織均為正常組織，硬度均為79.5。

2.2 事故分析

導電螺釘頭部疲勞斷裂，實際中的疲勞斷裂十分復雜：按照工作環境分有高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞；根據材料承受應力、應變的大小及達到破壞的循環次數的多少，可分為高周疲勞和低周疲勞；從應力狀態分，有拉壓、拉伸、扭轉疲勞等[1]。

目前斷裂的導電螺釘及另一根導電螺釘的分析實驗已經完成。實驗內容包括：成分分析(材料為T2銅)、力學性能、斷面掃描及金相組織顯微分析。從報告看，導電螺釘材料成分及性能均達到要求，設計上斷裂處的安全系數很高，達到2，斷面掃描結果顯示斷裂螺釘尚保留原始斷口的部位，斷口表面有明顯的塑性變形，為后期的撕裂，而非起始斷裂點。斷裂螺釘和同批次的另外一枚螺釘金相組織均為正常組織。

事故的過程可以通過現象確定，以此為依據，進一步通過實驗結果對原因進行分析。導電螺釘下半部分都已燒融，斷裂位置已經消失。飛出的頭部雖然沒有燒融，但飛出后打到其他東西上，斷面也受到了損傷(見圖6)。所以關于斷裂的原因根據現象、實驗報告以及另一根完好的導電螺釘上的現象進行分析。從損壞的滑環上拆下的另一根完好的導電螺釘上我們在退刀槽處發現了一個環狀刀痕(見圖7)，此處退刀槽與圓盤這個變徑過渡的位置上設計有一個R1的圓角，但在這根未損壞的導電螺釘上并無圓角。這根完好的導電螺釘上還有另外一個現象，螺紋與分流環接觸的位置有一處擠壓損傷的痕跡，這個痕跡在導電螺釘拆下來時即存在，屬于運行時產生的。

圖6 導電螺釘頭部斷面

圖7 導電螺釘頭部變徑處

根據以上的現象，可以確定出事故的原因:長度約為2 m的導電桿由銅制造而成，隨著機組負荷的升高，導電桿會發生熱脹冷縮的現象。轉子本體為鋼制也有同樣的效果，但鋼與銅的線膨脹系數(0.12/0.18)不同，在滿負荷狀態下，導電桿與本體之間有一個1 mm左右的脹差，導電桿就會帶著導電螺釘相對于滑環與分流環向勵端移動1 mm。正常情況下在設計時是會考慮到這點，會在分流環及壓蓋處留有間隙。從那根完好的導電螺釘螺紋部分的那個擠壓痕跡看(見圖8)，此處應該是沒有這個間隙的。由此可以發現這根導電桿較設計尺寸要長，導致導電螺釘與導電螺釘孔、壓蓋及分流環不同心，在冷態安裝時導電螺釘螺牙部分就與分流環及壓蓋接觸了，隨著每一次機組的起停，導電螺釘頭部都會受到一次擠壓。另外前述相比較另一根完好的導電螺釘上發現不合格的缺陷，不合格的導電螺釘進入裝配，這樣就會在每次機組起停導致螺釘頭部受擠壓，而退刀槽處的缺陷造成應力集中，多次的起停導致其疲勞缺陷擴大，最終由疲勞裂痕及離心力導致斷裂。而底部螺紋有壓蓋保護，所以不會出現損壞。

圖8 螺紋受損痕跡

綜上所述：材料合格前提下，導電螺釘制造及安裝失誤，并由于機組頻繁起停的熱膨脹產生的軸向應力，最終導致導電螺釘頭部變徑處出現疲勞裂痕直至斷裂。

3 解決措施

在此次事故發生后不久，兩個汽輪發電機電廠也發生了相同的事故，一個是靜態勵磁135 MW汽輪發電機，另一個是靜態勵磁75 MW汽輪發電機，兩臺汽輪發電機均采用相同結構及完全一樣的導電螺釘零部件。根據出廠時間判斷機組導電螺釘與發生事故的9E燃氣輪發電機為同批次產品，并且這兩個電廠機組均有負荷大范圍波動或頻繁啟停的調峰運行工況，分析后認為三起事故原因是相同的。具體原因如前文所述。

針對軸向消除熱膨脹在斷裂處導致的應力集中，在結構上進行如下改進：

1) 將導電螺釘斷裂位置的退刀槽取消，并將過度圓角增大，由原先的1 mm改成4 mm。

2) 靠零件制造精度保證安裝間隙，加強導電桿及導電螺釘制造精度，使尺寸達到設計標準，并增加安裝間隙的檢查。保證安裝好后導電螺釘與孔之間的間隙能夠滿足熱膨脹的需求。

同時將導電螺釘材料由T2紫銅換成CuZr鋯銅。高強高導銅鉻鋯合金因其強度高、電導率高的特性，被廣泛應用于電子、電力、航母及艦船、交通、機械、航空航天、國防等工業領域，如電氣化鐵路接觸導線(電車線)、集成電路的引線框架、各類點焊、滾焊機的電極、高端連接器材料、觸頭材料、電樞、電動工具的換相器、大型高速渦輪發電機的轉子導條及端環[2]。

CuZr在保證85%導電率的同時，屈服強度可以達到274 MPa、抗拉強度308 MPa,抗應力腐蝕能力強于T2紫銅。

4 結論

綜上所述，此次導電螺釘斷裂事故是由于導電桿安裝誤差造成的沒有軸向熱膨脹間隙，在運行時產生軸向應力擠壓，同時由于導電螺釘制造失誤，在導電螺釘頭部變徑處產生應力集中，經過長年運行，機組頻繁啟停，最終斷裂。

改進方向是進一步增加制造精度、加強檢驗，并將導電螺釘材料改成強度更高，更耐應力腐蝕的材料。同時未來機組小修及大修時增加導電螺釘的檢查項目。

另外將安裝了同批次導電螺釘的燃氣輪發電機機組進行了維修，更換了改進后的CuZr導電螺釘，并且安裝時保證安裝間隙。目前所有機組運行狀態良好，尚未出現相同事故。