汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施.docx

汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施1 裂纹情况河北省南部电网某厂#2 机为上海产单缸冲动凝汽式汽轮机，1972 年 6月投产，容量 50 MW，型号为 N5090，运行至 1986 年，更换了汽轮机转子。2003 年 10 月，在该机组大修的过程中，汽轮机转子调速级及汽封处发现裂纹，见图 1。经河北省电力研究院锅检中心对该处裂纹进行深度测量，结果为：A 处裂纹深度 13.6 mm，B 处 4.4mm，C 处 3.5 mm。2 原因分析该缺陷严重了影响机组的安全运行，排除制造因素，转子出现裂纹主要是由于交变热应力引起的金属疲劳损伤超出了材料的屈服极限而造成的，原因分析如下。a. 随着电力行业的不断发展，该厂在 20 世纪 90 年代初成为河北省南部电网的主要调峰厂之一，机组启/停次数增加，造成低周热疲劳率增加，机组在多次交变应力作用下，引起金属材料内部微观缺陷的发展，从而造成金属热疲劳，引发金属裂纹。b. 机组启动过程中暖机时间短，热应力大。该机组启动时存在负差胀过大的缺陷，为控制差胀，保证机组的正常顺利启动，从冲车到机组接带初始负荷的时间比较短，蒸汽流量快速增大，加剧金属温升，造成汽轮机转子尤其是高调门部位和高压侧轴封处热应力较大；另外，根据调度的预计负荷安排，从并网到带满负荷，暖机时间明显不足，这些都会加大转子的热应力。c. 冷机的邻机启动对转子的损坏程度尤其大，在用额定参数的蒸汽冲车时，蒸汽会在金属表面进行剧烈的凝结放热，使汽缸和转子外表温度急剧上升，尤其是转子加热面积大，升温更快，转子表面所受的热压应力就更大，当热压应力超过金属材料的屈服极限后，就会在该处产生局部塑性变形。随着转子的不断加热，其承受的热应力减小，但塑性变形不会随着转子热应力的减小而自行恢复，它在周围弹性区的影响下会出现残余拉伸应力，在高温条件下，该残余应力随时间增加而减小，即金属松弛现象，尤其在轴径最大的前汽封和调节级处，这种金属变形现象更明显。若邻机启动次数增加，其损坏程度更加严重，这样转子表面很快就会产生疲劳裂纹。d. 机组超速试验使转子裂纹加剧。在做超速试验过程中，转子离心力加大，停下来后产生泊桑效应，每多做一次超速试验对机组转子的危害就会加大一次。e. 机组消缺时，需将汽缸温度降到很低，强制冷却汽轮机，使汽轮机带很少的负荷， 到汽轮机的最后几级，甚至变成了鼓风机，因机组鼓风损失产生的热量带不走，温度很高，而蒸汽处于低温、低压状态，使机组产生很大的热变形，也会使转子产生裂纹。f. 在 1999 年 10 月大修前，该机一直存在着机组振动大的缺陷，大修检查发现转子第 17 级断裂 5 片，第 19 级断裂 3 片，掉叶片会引起转子运行失去平衡，长期运行造成金属疲劳损伤，引发转子裂纹。g. 在机组找振动加平衡块过程中，机组转子处于静止状态，机组需要保持真空，仍然需要送汽封，这时对汽轮机转子影响是最严重的。处于静止状态的转子局部受热，膨胀不均匀，产生较大的热应力和热变形，也会使转子产生裂纹。