高爐煤氣壓縮機葉片斷裂原因分析及改進措施

曾大海，宋圣歡

（1.四川空分集團工程有限公司，四川成都 610499；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

1 引言

節能減排是我國實現工業化、信息化推動低碳經濟發展的重要舉措，亦是“十三五”期間工業發展中的重大戰略性任務，國家逐年對煤炭等一次能源消耗總量的嚴苛限制，使得城市鋼廠的節能減排任務異常艱巨。高爐煉鐵產生大量副產品高爐煤氣，具備較高的含碳量，直接排放將會引起大氣污染，同時也具備一定的熱值，可作為氣體燃料。CCPP機組是利用高爐煤氣作為主要燃料，同時參混一定量的焦爐煤氣，煤氣燃燒產生熱量推動燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機等轉動機械運轉發電，創造經濟效益。因此，CCPP機組肩負著平衡企業高爐煤氣放散率以及保證發電量、減少公司倒供電的環保與經濟雙重指標任務。確保發電機組的穩定、高效運行至關重要。

高爐煤氣壓縮機是CCPP發電機組煤氣供給系統的主要設備，高爐煤氣壓縮機組轉子葉片材質缺陷、機組振動異常等造成壓縮機故障[5，7]，從而影響機組的正常運行。近幾年發生多起高爐煤氣壓縮機葉片斷裂事故，均造成發電機組非計劃停機，導致嚴重的經濟損失。本文對CCPP機組低壓煤氣壓縮機葉片斷裂事故原因進行了簡要分析，并結合現狀提出針對性地預防改進措施。

2 煤氣-蒸汽聯合循環發電技術

CCPP機組主要由煤氣供給系統、燃氣輪機系統、余熱鍋爐系統、蒸汽輪機系統及發電機組系統五大組成，該煤氣-蒸汽聯合循環原理圖如圖1所示。

圖1 煤氣-蒸汽聯合循環原理圖

CCPP工藝流程：1/2號機輔助蒸汽推動蒸汽輪機運轉，通過齒輪箱變速后帶動高、低壓煤壓機壓縮、空壓機和燃氣輪機運轉。起初利用空壓機吹掃燃燒室，當具備點火條件時，煤壓機將除塵加熱的高爐煤氣輸送至燃燒室，與壓縮空氣混合燃燒，將熱能轉化為旋轉機械能推動燃氣輪機做功；燃氣輪機做功的排汽進入余熱鍋爐，加熱高、中、低壓汽包的給水產生高品質的蒸汽，汽輪機將熱能轉化為旋轉機械能做功，進而帶動發電機組完成機械能轉化為電能發電。所有轉動設備同軸連接，空壓機、高、低壓煤壓機直接利用旋轉機械能驅動，轉換效率高。

3 低壓煤氣壓縮機葉片斷裂原因分析

3.1 低壓煤氣壓縮機概況

該CCPP機組用高爐煤氣壓縮機采用離心式和軸流式兩級串聯運行，低壓煤氣壓縮機為MAN公司制造靜葉角度可調、轉子葉片15級組成的軸流式壓縮機，設計進/出口溫度：35/235 ℃；設計進/出口壓力：0.107/0.6 MPa；容積流量：403000 m3/h。轉子葉片、承缸靜葉片均采用具備良好的力學性能和抗氧化腐蝕性能的2Cr13馬氏體型不銹鋼材料[2]，該材料也被廣泛用于制造汽輪機葉片、大型軸流式壓縮機葉片等高速旋轉機械的構配件[1]。

低壓煤氣壓縮機自CCPP機組投產以來，多次停機檢修時在壓縮機出口煤氣管道檢查到低壓煤氣壓縮機斷裂葉片碎片，不得不對壓縮機開缸檢查、確認，并同步對后續轉動設備高壓煤氣壓縮機及燃氣輪機葉片進行檢查。尤其是2012～2018年，低壓煤氣壓縮機轉子葉片發生頻繁斷裂，或者葉片檢測出裂紋，嚴重影響了電力生產。

分析低壓煤氣壓縮機歷次葉片斷裂的原因，均因葉片材質疲勞所致，主要是在機組運行期間壓縮機轉子及葉片等部件承受交變載荷引起材料疲勞[8]。尤其是第5級、第12級葉片分別出現缺陷次數達到4次、3次，為缺陷較為集中的級數。

然而，2017年低壓煤氣壓縮機更換了全新的轉子葉片，運行3個月后第5級轉子動葉片斷裂1片；2018年全新動葉片上級運行約45天，12級轉子葉片斷裂1片，13級轉子葉片斷裂3片，14級轉子葉片斷裂1片，均為全新葉片。

3.2 低壓煤壓機葉片斷裂原因分析

3.2.1 低壓煤壓機葉片斷裂基本情況

低壓煤氣壓縮機轉子于2018年B級檢修上機，采用全新的動、靜葉片，且針對2017年葉片斷裂的原因進行了如下改進：其一，第5～9級的動葉形面采用噴丸強化處理+熱噴涂防腐處理，第1～9級的動葉縱樹根部位采用噴丸強化處理，以延長葉片抗疲勞壽命；其二，轉子修復中，根據煤壓機動葉片設計、強度計算，在不影響機組性能參數下，對單片動葉片進行了必要的頻率修正，對動葉片激振頻率進入或靠近共振頻率區域的，也做了修形優化處理，以提高機組運行的可靠性。

CCPP機組運行期間因低壓煤氣壓縮機出口流量、壓力下降，高、低壓煤氣壓縮機防喘閥動作，導致煤氣供給量不足，燃燒室全火焰喪失引起機組脫扣。通過分析故障發生時壓縮機運行曲線及介質流量特性、振動特點等，判斷低壓煤氣壓縮機葉片斷裂。開缸檢查，發現11～15級動、靜葉片損壞嚴重，其中動葉12、13、14級分別斷裂1片、3片、1片，斷口圖片如圖2所示。

圖2 葉片斷裂斷口

3.2.2 化學成分分析

依據GB/T8732-2014汽輪機葉片用鋼規范，對斷裂葉片12級、13-3、14級取樣分析，化學成分檢測顯示，葉片材質均符合2Cr13各合金元素含量，結果如表1所示。

表1 化學成分分析結果

經對比國家標準及歷史檢測記錄分析，試驗葉片材質符合標準要求。

3.2.3 力學性能檢查及金相組織分析

依據GB/T8732-2014汽輪機葉片用鋼規范，對12、13、14級斷裂葉片（2Cr13）進行力學性能分析，因斷裂結構特征所限，僅針對性地分析沖擊功及硬度2個重要的指標，結果如表2所示。

表2 主要力學性能分析結果

試驗結果顯示，試驗葉片的沖擊功和硬度兩項力學性能指標均符合標準要求。對第13級斷裂葉片的過渡弧部位取樣做金相組織分析，葉片最終的組織狀態顯示為回火索氏體，符合該材料的調質處理要求，且夾雜物總量符合標準要求[3，4]。

3.2.4 宏觀斷口分析

針對第12級、13級、14級轉子葉片的斷裂葉片進行斷口宏觀分析，如圖3所示。

從圖3可以看出，葉片的斷口均發生在葉根榫槽出，此處為葉片集中受力區域[6]。第12級斷裂葉片為后櫞起裂的高周疲勞；第13級3片分別為后櫞起裂、背弧中點起裂、后櫞與背弧中點共同起裂3種情況的高周疲勞；第14級斷裂葉片為外物損傷斷裂，為第12、13級斷裂葉片碎片撞擊所致，表現為韌性斷口。

圖中斷裂葉片葉根呈藍色，檢查第12-15級隔葉塊也呈現發藍的情況，然而CCPP機組低壓煤氣壓縮機煤氣出口溫度設計值為235 ℃，最大允許溫度為255 ℃，運行時溫度低于245 ℃左右，不足以導致葉片葉根和隔葉塊發藍，尤其是運行時間只有45天。因此，認為發藍情況的原因之一是葉片在裝配完成后未鎖緊，致使轉子高速運轉、葉片受交變載荷，葉根與隔葉塊相互摩擦產生的高溫所致。

3.2.5 斷口微觀分析

以13-1斷裂葉片為樣本對其斷口進行微觀分析，圖4為斷裂葉片的微觀形貌。從4張圖分別可以看出，其斷裂源未發現明顯材料缺陷，背散射電子相顯示涂層與基體出現了龜裂，而未裂部分結合較好，低倍即表現出明顯的疲勞弧線。

3.2.6 頻率分析

考慮葉片固有頻率對機組運行期間可能造成振動異常而使葉片損壞，2017年由制造廠家對轉子動葉片進行模型分析，對原有葉片進行細微修正。通過對改型前后振動頻率避開率的對比，可以得出，葉片的改型使得現轉子葉片第4、9-12、14-15級動葉片避開率得到改善，符合相關規定的范圍。但第8級S1的避開率為4%～7%，避開率較小；13級動葉S1的避開率僅為0.1%～1.4%，頻率無法避開，因此，理論上第8、13級葉片存在S1共振的可能。

按照軸流式壓縮機相關設計規范可知，當葉片的固有頻率無法完全避開時，葉片的彎曲應力將超標。

4 低壓煤氣壓縮機葉片斷裂原因匯總及預防措施

4.1 低壓煤壓機斷裂原因

通過對斷裂葉片的理化性能、斷口特性及轉子葉片振動特性的分析，低壓煤氣壓縮機轉子葉片斷裂有以下原因綜合所致：

（1）壓縮機介質因素：低壓煤氣壓縮機工作介質為高爐煤氣（BFG），煤氣介質因含有S、Cl等腐蝕性微量元素，致使在一定的條件下葉片材料的疲勞極限相比空氣會更小，導致葉片斷裂的應力會更小。

（2）葉片固有頻率因素：原設計葉片第4級、第8-15級動葉片頻率避開率不足，存在共振可能；對轉子葉片修頻后第8級頻率S1避開率不足，第13級完全不能避開，致使葉片發生S1共振、動應力超標。

（3）裝配因素：轉子葉片、隔葉塊裝配時未鎖緊，致使轉子在高速運轉過程中存在相互摩擦，亦會影響葉片的振動特性。

（4）運行中葉片受力因素：機組運行過程中防喘閥動作，導致葉片受氣流瞬間沖擊力，將會加速葉片的疲勞損壞；在機組啟動過程中，機組在通過臨界轉速區時將會產生共振，從而造成對葉片的壽命影響，尤其是機組多次頻繁啟動，影響更為嚴重。

4.2 預防措施

（1）因高爐煤氣含有S、Cl等腐蝕性微量元素，因此，可考慮5、6、7、8、11、12、13、14、15級共9級動葉材料采用0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4），提高抗疲勞強度，尤其是加強應力集中的葉根榫槽處抗疲勞強度，其余動葉材質不變。

圖3 第12、13、14級斷裂葉片斷口圖片

圖4 斷裂葉片13-1端口微觀形貌

（2）為了提高低壓煤氣壓縮機葉片具備更好地抗腐蝕性，動、靜葉片均采用了超音速等離子噴涂防腐層，尤其是本次噴涂，防腐層厚度遠遠超過了250～300 μm的設計值，局部位置厚度達到500～700 μm，防腐層與葉片表面的接觸緊密度亦值得考究，這兩項均將改變葉片的固有頻率，從而導致共振的發生；加之考慮到葉片修型后仍然無法避開共振區間，建議葉片不再使用防腐層，恢復葉片至MAN原始設計葉型。

（3）加強運行技能水平、提升設備管理能力，減少因機組非停造成氣流對低壓煤壓機葉片的沖擊，進而減少因工況變化時葉片承受的交變應力使葉片局部高應力區域應力集中而萌生微裂紋的幾率；在機組啟動過程中，快速通過臨界轉速區，以盡可能縮短共振時間；考慮到BFG熱值低及熱值變化的特性，建議修正低壓煤壓機喘振曲線，防止機組運行時因BFG熱值變化導致流量突變而引發的喘振。

5 結論

通過化學、力學性能分析，結合微觀、宏觀分析，低壓煤壓機葉片斷裂為葉片自振頻率的激勵共振避開率不足、葉片防腐涂層以及葉片裝配等綜合因素造成葉片的疲勞斷裂，煤氣介質下葉片材料的疲勞極限相比空氣會更小，亦是誘發葉片疲勞斷裂的原因之一。

加強對裝配的管理，采用抗疲勞強度更強的材料或者針對性提高應力集中部位，剔除因葉片防腐涂層引發葉片振動特性改變的因素，加強設備的管控是目前可以采取的可行預防措施。