25 MW汽輪機轉子、隔板修復研究

楊增超，何陽陽，朱秦川，張韋瑋，林 佳

(1.廣州海恩能源技術有限公司，廣州 510000;2.德陽東汽電站機械制造有限公司，德陽 618000)

近年來，隨著國家節能減排政策的實施，眾多余熱利用發電機組投入運行。在汽輪機運行中，因制造或運行原因導致動靜碰磨問題經常發生[1]。事故發生后，根據機組損壞程度判定其是否修復或報廢，但損壞程度沒有嚴格的判定標準。同時，因汽輪機是高轉速旋轉機械，運行風險較高，許多事故發生后部件即使可以修復，也都被判定為報廢。

本文介紹了25 MW汽輪機嚴重動靜碰磨的事故以及事故原因分析過程，探討了汽輪機損壞部件的修復措施，確定了缺級運行的處理方案，為今后同類型汽輪機的修復提供新的思路和經驗。

1 機組介紹

某煤基清潔能源項目采用由DRESSER-RAND(德萊賽蘭)生產的型號為F30-SF-D-07-E-C的汽輪機作為動力車間的關鍵設備。汽輪機為余熱利用單軸單缸中壓抽汽式飽和蒸汽汽輪機，額定功率為21.9 MW，額定轉速為5 432 r/min，無回熱抽汽系統，縱向布置，采用直接空冷系統。該汽輪機相關技術參數及說明如表1所示。

表1 汽輪機技術參數及說明

2 事故簡介

2020年5月5日汽輪機1號、2號瓦處軸振異常升高，達到跳機值，導致汽輪機跳機。初步判斷認為轉子可能碰磨損壞。汽缸冷卻后揭缸檢查，發現第2級動葉片全脫落，轉子與第2級隔板碰磨嚴重，其余地方也有不同程度損傷，具體情況如下：

1)第1級動葉鎖口葉片處圍帶有斷裂，拆下葉片發現鎖口葉片葉根斷裂(如圖1、圖2所示)；

圖1 第1級鎖口葉片處圍帶斷裂

圖2 第1級動葉鎖口葉片葉根斷裂

2)第2級動葉片全部損毀，且第2級輪盤葉根槽兩邊撕裂(如圖3所示)；

圖3 第2級輪盤

3)第2級隔板損壞，呈摩擦熔融狀態(如圖4所示)；

圖4 第2級隔板

4)第3至第7級動葉和輪盤上有多處碰磨損傷(第4級情況如圖5所示)；

圖5 第4級動葉片

5)調節閥噴嘴內環焊縫龜裂(如圖6所示)；座缸抽汽閥噴嘴變形嚴重(如圖7所示)；

圖6 調節閥噴嘴

圖7 抽汽閥噴嘴

6)1號、2號軸瓦、推力瓦和軸頸上有嚴重劃傷痕跡(如圖8所示)。

圖8 支持軸承

因事故中損毀最嚴重的第2級動葉片全部脫落，第2級隔板損壞嚴重，按照以往的經驗，該轉子和第2級隔板可判作報廢。但如果重新購買新轉子，供貨周期需要6～8個月，此期間工廠的余熱尾汽就白白浪費，會對企業造成重大損失。

該設備的使用單位與廣州海恩能源技術有限公司、德陽東汽電站機械制造有限公司汽輪機專家多次溝通后，決定先將損壞的轉子與隔板修復，進行臨時運行，等待新轉子制造完成后更換新轉子。

3 事故原因分析

3.1 第1級動葉鎖口葉片葉根斷裂

第1級動葉鎖扣葉片和銷釘原材質為FV-520B。葉片、銷釘的化學成分要求及檢查結果如表2所示，通過理化分析，材料的化學成分、抗沖擊性能和硬度滿足要求。葉片的力學性能檢查結果如表3所示，通過金相檢查，并未發現非金屬夾雜物含量過高等冶金缺陷。

表2 葉片、銷釘材質的化學成分要求及檢查結果(質量分數%)

表3 葉片的力學性能檢查結果

通過對開裂葉片的斷口使用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)進行觀察，結果如圖9所示?？梢钥吹綌嗝嬗忻黠@的貝紋線，在裂紋源處有微裂紋。從擴展區的微觀形貌來看，該斷口的斷裂形式為高周疲勞斷裂[2]。第1級動葉鎖口葉片葉根處有3處裂紋源，且均起源于銷釘孔。裂紋源位置如圖10所示。通過分析發現，3個裂紋源在銷釘孔中的位置存在明顯差異，其中2處裂紋即使同樣處于進汽側靠葉片內弧面，其在銷釘孔周向的位置也明顯不同。這說明葉片銷釘孔和銷釘的接觸與正常設計狀態不同。同時，發現開裂葉片葉頂的一處鉚釘頭也發生了斷裂，這可能會造成該葉片的振動特性發生變化。葉片之間、葉片銷釘孔和銷釘之間的接觸和正常情況也不一樣，如果銷釘和銷釘孔在局部位置接觸，其應力將遠遠大于正常狀態下的應力，容易在應力集中位置，如2個端面處出現高周疲勞開裂。

(a)貝紋線

(a)裂紋源1位置

3.2 第2級動葉及隔板損毀

該機組在第2級后設有抽汽口，原設計抽汽壓力為1.0 MPa。實際運行時抽汽經過抽汽逆止門、抽汽快關閥、抽汽蝶閥管道直接接入0.5 MPa的管網，這樣就導致第2級隔板后的實際運行壓力為0.5 MPa。該機組隔板結構為內外圍帶與靜葉片組焊結構(如圖11所示)，第2級隔板固定靜葉片的圍帶僅在進排汽側用寬度4 mm的角焊縫固定，隔板剛度不足以承受前后壓差所致的軸向力。這導致隔板向排汽端變形，進而導致第2級隔板與轉子第2級葉輪碰磨，產生動靜摩擦。

圖11 第2級隔板原結構剖面圖

3.3 調節閥噴嘴內環焊縫龜裂

如圖6所示，調節閥噴嘴內環焊縫整圈呈現龜裂狀。焊縫是沿著拂配間隙開裂的，參考廣州海恩能源技術有限公司(海恩)汽輪機設計經驗，高調門噴嘴運行狀態下受熱時內環膨脹量大于外環，機組反復啟機停機會導致噴嘴葉片拂配間隙反復張開閉合，這會使得焊縫沿著拂配間隙開裂。所以在選擇焊接材料時，焊材在具有優良的焊后強度的同時還要具有優良的焊區韌性、抗裂性及機械加工性。焊接后應進行熱處理，消除焊縫內應力。因為無法獲得此調門噴嘴的焊接記錄及熱處理報告，所以無法準確判斷其開裂的直接原因。根據海恩多年的生產經驗判斷，此缺陷形成的原因是焊后未做熱處理消應力，在噴嘴葉片反復“張開、閉合”的過程中，內應力沿著拂配間隙釋放。

4 修復處理

4.1 葉輪葉根槽及葉片修復

該汽輪機轉子是無中心孔整鍛轉子，第2級葉輪葉根槽已經全部撕裂，且轉子工作轉速較高。為了縮短修復周期，降低運行風險，廣州海恩能源技術有限公司、德陽東汽電站機械制造有限公司與業主溝通后確定缺級運行修復方案，即將撕裂的轉子第2級葉輪葉根槽車削清理干凈，并圓滑過渡。

針對轉子第3～7級動葉片上的缺陷，對于可補焊處，將孔洞和裂紋處打磨光滑，徹底去除裂紋后進行補焊。待葉片補焊區域冷卻至室溫后，對其進行打磨至圓滑。無法補焊處采取打磨方式圓滑過渡。

4.2 第2級隔板修復

確定缺級運行方案后，為了防止第2級后承受壓力增大，對第2級隔板采用加固的方式修復后復裝。加固方式采用在第2級隔板進汽側焊裝16個加強筋板[3]，圍帶兩側、靜葉與圍帶固定處也采取加強焊。

4.3 調節閥噴嘴內環焊縫修復

調節閥噴嘴內環焊縫呈現龜裂狀態，焊縫裂紋較深，所以采取將原焊縫清理干凈，再重新焊接的方法修復。噴嘴葉片材質為421馬氏體不銹鋼(BS970-416S21)，噴嘴體材質為碳素結構鋼鍛件(EN10FE430A)。為了滿足噴嘴焊縫在頻繁啟機和停機的工況下具有足夠的韌性和抗裂性，采用CH-NiCrMo-3焊絲進行氬弧焊，焊后進行錘擊消應力。

4.4 修復流程

修復過程從以下3個方面同時展開：

1)對轉子各級進行損傷評估，對轉子及葉輪進行超聲波探傷，對葉片圍帶進行滲透探傷，清理轉子，即除銹、煤油清洗，對各級葉片、圍帶進行補焊修復，對葉輪迎汽面進行補焊消缺，補焊后銑平面，更換第1級鎖口葉片，對第2級葉輪進行車削加工，檢查轉子跳動情況，然后進行低速動平衡試驗和高速動平衡試驗。

2)對第2級動葉片進行斷裂分析、宏觀檢查、金相分析、化學成分分析、掃描電鏡檢查，進行沖擊試驗、硬度檢測，最后生成分析報告。

3)用煤油清理其余各部件，對隔板、軸承進行無損探傷，對第2級隔板加強補焊，加工中分面，對其余隔板進行補焊消缺，加工中分面，對支持軸承重新澆巴，加工內孔尺寸，對推力軸承瓦塊進行補焊整形、測等高，對座缸抽汽閥噴嘴進行校形，清除調節閥噴嘴原焊縫，重新焊接固定調節閥噴嘴，最后對所有焊后部件進行無損探傷、清理和包裝。

5 高速動平衡

2020年6月13日，轉子完成車削加工及動葉片修復后，在海恩動平衡試驗臺成功完成了高速動平衡試驗。1號、2號軸承座在工作轉速5 432 r/min時振動速度均為0.81 mm/s。

6 修復效果

修復復裝后該機組采取缺級運行方式，因抽汽壓力與原設計值不符，所以復裝后不開抽汽運行。在沖轉帶負荷至8 MW后，采取逐漸加負荷(每次加1 MW，穩定運行2 h，無異常再加負荷)的方式，逐漸加至15 MW。

運行數據如表4所示，修復后汽輪機各項參數均優于預期目標。通過修復方案的實施及時恢復了動力車間為廠區供電的任務，最大限度地減少了企業的損失。

表4 運行參數表

7 結 論

本文針對汽輪機動靜碰磨后轉子、隔板等部件嚴重損壞的問題，分析了事故損壞部件的情況，采用有效的修復措施，恢復了25 MW汽輪機的運行，運行結果顯示修復達到了預期目標。根據本文的研究可以得出如下結論：

1)對損壞嚴重的第2級葉輪，可以采用缺級運行的修復措施，該措施具有降低修復后運行風險的效果，并且方便快捷；

2)對損壞嚴重的第2級隔板、調節閥噴嘴，可以采取校形、補焊加固的修復措施，該措施具有恢復原結構、加強結構強度的效果；

3)對損壞的動葉片、軸承等部件，可以采取恢復原貌或消缺的修復措施，該措施具有修復成本低、運行可靠的優勢。