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500MW汽轮机组低压转子4、4A级叶片拉筋断裂处理及改进 |
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| 500MW汽轮机组低压转子4、4A级叶片拉筋断裂处理及改进 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 19:51:24  |
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针对叶片及拉筋的断裂情况，进行叶片振动频率、拉筋材质、强度等方面的分析，找出机组低压转子叶片及拉筋的断裂原因。
关键词：叶片 拉筋 频率 疲劳断裂 分析 原因
0 前言
神头二电厂2×500MW机组系原捷克斯洛伐克斯克达（SKDOA）汽轮机厂制造，该机组为亚临界一级中间再热、单轴、四缸（高压、中压、两低压）、四排汽、双背压、凝汽式汽轮机。低压缸双流程双缸结构，低压转子为2×6级嵌压设计，1-3级叶片叶顶有铣制围栅，4-6级叶片为自由叶片。由于低压转子4、4A级叶片及拉筋设计原因致使叶片及拉筋多次发生断裂，严重影响机组的安全运行。具体情况为：
（1）#1机组从投产至今，期间发现#1低压转子4a级叶片边裂纹至拉筋处，距叶顶107mm，裂纹最大宽度2mm，裂纹长32mm，#1低压转子4a级拉筋断裂3处，#2低压转子4a级拉筋断裂1处。
（2）#2机组从投产至今曾两次发生叶片断裂事故，第一次断叶片发生在#1低压转子，断开部位在#5叶片拉筋孔处。第二次断叶片发生在#2低压转子，#25叶片距根部80mm处断开。
（3）#1低压转子4、4a级发生拉筋断裂120处。
1 分析
1.1叶片频率分析
根据单个等截面叶片自振频率的计算公式
E——叶片材料的弹性模量（N/m2）
I——叶片截面的惯性矩（m4）
ρ——叶片材料密度（kg/m3）
l——叶片高度（m）
A——叶片横截面积（m2）
Kl——频率方程的根
可以得出：叶片的自振频率与惯性矩的平方成正比，即叶片的刚性越大自振频率越高，而与叶片单位长度的质量的平方根成反比，即叶片单位长度的质量越大或叶片越重自振频率越低。
叶栅中的拉筋对叶片的振动频率有两个相反的影响。首先，拉筋阻止叶片产生切向弯曲振动，即增加了叶片的刚性，提高了叶片的自振频率。同时，由于拉筋的存在相当于增加了叶片的重量，所以降低了叶片的自振频率。以上两种相反效应的综合，最终决定叶片自振频率的增减。但一般来说，刚性所起的作用大于质量的反作用，故叶片成组后，自振频率将不同程度有所提高。
从机组未修前进行的测频结果可以看出，单叶片频率低（233—241Hz），成组叶片频率合格（249—256Hz），拉筋完好的叶片组A0型振动频率范围一 般在250—256Hz之间，对于本级（L1—4A；L1—4；L2—4A；L2—4级），叶高L=340mm，叶轮平均直径Dm=1890mm，动频率系数B=3，叶片5、6片成组。（5片一组的22组，6片一组的3组，一共25组，128片叶片）
当K=5，系统周波为50Hz时，本级的A0型振动的共振区动频范围为237.5Hz—262.5Hz，其共振危险区静频范围为221.15Hz—247.8Hz。
当K=5与K=6之间，系级周波为50Hz时，本级叶片对于A0型振动的安全静频范围为247.8Hz—274.7Hz。
1.1.1从测频结果中可以看出，当周波为50Hz时，如拉筋发生断裂，叶片连接成组的组内叶片数就会发生变化，从测频结果中看出，对单只叶片或两个叶片组的叶片频就落入了K=5的共振危险区，有可能使这些叶片发生共振，从而使叶片发生断裂。
1.1.2拉筋发生断裂后，造成叶片三片成组的叶片，部分组落入K=5的共振区，另一部分则在K=5时的安全区的边缘。（三片成组的叶片A0型振动的频率范围为246Hz—253Hz）
1.1.3对于四片成组的叶片与拉筋完好时，5、6片成组的叶片，在周波为50Hz时，A0型振动是安全的。（其频率范围为248Hz—258Hz）
1.1.4对L1—4A级及L2—4A级A0型振动频率普遍较L1—4、L2—4级低。
其频率范围在250—253Hz之间，如果电网周波升高到51Hz时，对于频率为250Hz的叶片组，其共振安全率△=4.5%∠5%，落入了K=5时共振区，也就是说当电网周波波动到51Hz时，频率为250Hz的叶片就会发生共振，危及叶片的安全。
1.2 拉筋的强度核标
本级叶片在叶高约220mm处穿有一道φ7的焊接拉筋。通过光谱确定拉筋的材料为铬钢（1Cr13）。
本级拉筋计算承受的离心弯应力为б=17517.2kg/cm2时认为拉筋是安全的，因此本级拉筋的强度是足够的。
1.3 叶片的材质及硬度
根据捷方提供的资料及进行的光谱分析，叶片材质为1Cr13，硬度为HB222，符合B/HJ420-96的标准要求。且断口金相组织较均匀，未发现夹杂物等缺陷。
2 讨论
通过几次叶片拉筋损伤观察，以及叶片断裂宏观检查和金相分析，我们初步得出的结论是：运行中拉筋开焊、断裂，然后叶片发生疲劳损伤，与叶片的材质和强度无关。具体原因如下：
（1）拉筋断裂、开焊原因
1）拉筋焊接缺陷方面
a 施焊不饱满，不均匀；
b 拉筋焊接温度高，产生热应力；
c 焊接方法不当（叶片施焊应从内弧侧即把叶片水平放置，内弧向上）
2）叶片拉筋局部过热；
3）运行工况控制不当，如真空低、抽汽不足等，使得4级、4A级叶片受到水冲击，拉筋受到额外附加应力，发生了断裂。另外拉筋强度、富裕量偏小；
4）拉筋材质方面，筋相组织发生变化；
（2）叶片断裂原因
1）由于拉筋断裂、开焊，使叶片频率改变，尤其是单只叶片频率降低较多，陷入共振区中而断裂；
2）拉筋孔处局部淬硬或金相组织颗粒变粗；
3）设计不当或加工注意；
4）叶片装配质量方面；叶片根部贴合不好或未铆紧，使叶片自振频率低而陷入共振区。
3 对策与措施
根据以上分析，有针对性地制定如下措施：
（1）在运行中严格控制电网频率的波动。
（2）为减小叶片单位长度上的质量，提高叶片的指针频率，对#2机、#1、#2低压转子，#1机#1、#2低压转子4、4A级叶片顶部打孔，以调整单只叶片频率及成组叶片频率，钻孔减荷较未钻前单只叶片频率提高10Hz以上，使其处于共振安全区内。
Φ4.8每毫米深减轻重量0.139g，Φ5.8每毫米深减轻重量0.203g，每只叶片打孔共减轻重量为55×（0.139+0.203）=26.455g，为了避免由于打孔深度不一，造成叶片动不平衡及静不平衡，叶片第一次打孔后，测量叶片打孔深度，确保成组叶片与圆周对应部分相差1g以内，如相差大于1g，应重新调整打孔。
(3)为提高拉筋的强度，进一步提高富裕量，对#1、2机低压转子4、4A级叶片穿钛合金拉筋。
(4)从拉筋断口处可以看出造成拉筋断裂的拉应力水平较高，应为叶片进汽的蒸汽湿度大而产生水击现象，使拉筋承受的拉应力大大超过预设拉应力。为此在运行中应提高再热汽温度，增加蒸汽压力，提高凝汽器真空，尽量避免长周期低负荷运行。同时，将原来的焊接死拉筋更换为钛合金半圆松拉筋，5-6个叶片为一组，在运行状态下借助于拉筋本身的离心力作用产生的摩擦力大于叶片的振动力，以达到抑制振动的目的。而拉筋本身受力较小，不会发生断裂。
(5)检查并加固叶片叶根，使其固定牢固。
4 改进效果
利用2001年和2003年#1、#2大修的机会，经过以上几条措施的改进，低压转子4级、4A级叶片成组叶栅的振动频率提高到260-270Hz，在安全振动频率247.8—274.7Hz范围内，频率分散度A=2.27%-2.31%＜8%，合格。改进后历经几次机组中小修检查，低压转子4级、4A级叶片及叶片拉筋未发现裂纹或断裂，极大地促进了机组的安全运行，防止了断叶片事故的发生。
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