燃气轮机和压气机联轴器螺栓断裂原因分析

钱程

(上海通华燃气轮机服务有限公司，上海 200003)

1 问题的提出

某电厂建有2台S109FA SS联合循环发电机组，燃气轮机型号为PG9351，余热锅炉为加拿大福斯特·惠勒电力机械有限公司生产的高/中/低三压、一次中间再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉。汽轮机为D10型高/中/低三压、中间再热、单轴、冲动式无抽汽纯凝式机组。

2010－08－17 T 16:50，#1燃气轮机正常启动，辅汽温度为195℃，轴封进气温度为178℃，高压缸上缸内壁温度为136℃，差胀为0．11mm，0．71mm，缸胀为5．5mm，轴胀为7．7mm。轴位移为 －0．02 mm，－0．01mm。17:14，机组全速运行，振动最大值为0．05mm，振动正常，#1轴承金属温度为100℃。机组全面检查正常后于17:17并网。17:18，燃气轮机轴振、瓦振突然开始上升。油温为49℃，#1瓦振、#2瓦振由3．38mm/s升至 8．27mm/s，1X 轴振由0．04mm 升至0．11mm，1Y 轴振由0．045mm 升至0．130 mm，2Y 轴振由0．016 mm 升至 0．070 mm。17:30，振动趋于平缓，1Y 轴振在0．190～0．210mm之间波动，1X轴振在0．170～0．190mm之间波动，17:45，机组1X 轴振缓慢上升至0．170～0．190mm，1Y轴振缓慢上升至0．220mm，自动执行停机程序，停机时负荷为20 MW。#1瓦振、#2瓦振为13．00 mm/s，推力轴承温度为71℃，差胀正常。停机过程中惰走时间与原先基本一致(为37min)，盘车电流正常(为53～54A)。

该机组从上一次检修结束到恢复运行，共运行823 h，启、停16次，振动值虽然升高，但压气机排气压力保持在0．97MPa左右，未见明显异常。在盘车未停的情况下，目视检查压气机的进气道未见明显异常，在排气扩压段具备检查条件后进行了检查，未发现明显异常。通过内窥镜孔检查压气机的0～6级叶片及14～16级叶片，也未发现明显异常。在检查透平叶片时，发现燃气轮机透平一级动叶出气边和一级喷嘴壁面涂层普遍有剥落现象，在三级透平出口下半缸位置发现较多直径为3～6mm的金属颗粒。二级护环的蜂窝状密封损坏严重，一张三级动叶进气边靠近叶顶处有一异物打击的小缺口。在排气扩压段发现金属碎渣。燃气轮机透平一级动叶轮毂上拉紧螺栓被异物击伤，如图1所示。

图1 内窥检查发现一级动叶轮毂拉紧螺栓被异物击伤

根据现场初步检查情况，笔者怀疑透平转子轮毂拉紧螺帽被转子上脱落的物体(可能为平衡块等松动脱落)打伤，从而导致此次事故停机。根据目前所知的损坏程度，决定对燃气轮机和压气机进行解体检查。在对压气机排气缸解体后，发现压气机和燃气轮机联轴器螺栓中有1根完全断裂脱落，对联轴器和后端基体造成严重击伤，最终确定此次停机的原因是由于压气机和燃气轮机联轴器螺栓断裂造成的，断裂螺栓位置如图2所示。

2 螺栓断裂的原因分析

图2 断裂螺栓位置

导致该燃气轮机和压气机联轴器螺栓断裂的原因是多方面的，应从以下几个方面逐一排查并对螺栓断裂原因进行分析。

2．1 运行环境

(1)机组是否在超温情况下运行。如果机组过热导致联轴器螺栓的材质发生晶间裂纹，则轮间温度会远远高于当前的报警值，而在运行过程中并未发生轮间温度异常的情况，这一点可通过金相分析得到验证，图3表明在断面的晶间扩张痕迹上并没有发现交变应力或者过载的典型特征。图3是用电脑编辑好的1张图片，箭头所示方向表示断裂位置和同一位置的电子显微镜下微观结构，说明了显微镜下晶间扩张的位置，没有标出箭头方向的图片是说明与右下图片同一晶间扩张的位置。

(2)没有发生不正常的工况变化，比如机组振动一直较高而导致的交变应力，如图3所示。

(3)在运行过程中也没有发现存在腐蚀性元素。

2．2 螺栓供货方面

(1)材料的脆化和微结构方面。图4表明晶粒结构符合ASTM8－10级的晶粒标准，在裂纹起源处的裂纹路径是晶粒内和晶粒间相混合的，表明材料的微观结构正常。

(2)材料的硬度、化学成分、材料缺陷、热处理和尺寸方面。从损坏的螺栓孔和未损坏的螺栓上取样，其化学成分在材质规范要求的范围内。材料的延展性能在427℃和649℃时符合规范要求。螺纹和螺栓的硬度也符合设计规范要求。在裂纹起源区没有发现压痕，没有发现损坏的螺纹。

2．3 设计方面

该联轴器螺栓采用了最新设计，所有的关键数据均符合设计标准，在组装过程中，螺栓拉伸时的数据也符合设计标准要求。和其他转子的螺栓相比，该联轴器螺栓的强度明显高于其他转子螺栓的强度。

2．4 安装方面

查阅组装时螺栓拉长量的记录发现，拉长量符合技术规范要求。在螺栓拆下时，测量了除受损螺栓以外的拉长量，这些螺栓的拉长量均小于典型的组装要求。在安装过程中，没有使用对螺栓有腐蚀性的In718材料。该螺栓为一次性产品，只要在机组上使用过，在回装时就必须使用新的螺栓，通过组装记录的追踪检查，可确认该螺栓为全新的螺栓。

图3 断面在扫描式电子显微镜下的微观结构

图4 断面的晶间结构

联轴器连接法兰处的槽口、螺栓孔及结合面的法兰处的尺寸也符合规范要求，断面的宏观情况如图5所示。

图5 断面的宏观

图6反映了裂纹源区的扩展模式，在源区有轻微的污脏痕迹。在螺栓安装过程中，通常会在螺栓螺纹处涂一层含镉的材料以防止螺纹锁死，因此，在螺栓肩部、螺纹和裂纹表面发现含有2%～6%的镉元素，同时在非裂纹区域的螺栓和其他螺栓上也发现富镉区域。镉元素在超高温条件下会导致金属脆化，因此，笔者推断通过划痕处渗透聚集的镉元素使局部金属脆化，最终导致螺栓在运行时迅速失效而断裂。

图6 裂纹源区的显微镜检查

3 结论

从以上分析可以看出，镉元素是导致金属脆化的主要因素，由于在裂纹源区及周围发现镉元素异常偏高，因此，笔者推断是在安装或运输过程中在螺栓表面形成了轻微的划痕，镉元素在该划痕处聚集，造成该区域金属脆化，最终导致了裂纹的扩展。

由于联轴器螺栓断裂会造成设备严重的损害，给业主带来巨大的经济损失，因此，建议制造厂在螺栓的安装和运输过程中加强管理，避免运输过程的碰撞和安装过程中的意外损伤，杜绝类似事件再次发生，保证设备的安全运行。

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