660MW机组汽动引风机叶片断裂原因的分析

张吕华/浙江浙能电力股份有限公司

朱朝阳 刘川槐/淮浙煤电凤台发电分公司

660MW机组汽动引风机叶片断裂原因的分析

张吕华/浙江浙能电力股份有限公司

朱朝阳 刘川槐/淮浙煤电凤台发电分公司

0 引言

淮浙煤电凤台发电厂二期扩建2× 660MW工程3、4号机组锅炉系上海锅炉厂有限公司设计制造的SG-2009/ 28-M6004型超超临界变压运行螺旋管圈直流炉，锅炉采用单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、П型露天布置、固态排渣、全钢架悬吊结构。两台机组分别于2013年12月9日和2013年12月27日通过168小时满负荷连续试运行并投入商业运行。每台锅炉配两台小汽轮机驱动的HA46048-8Z型静叶可调轴流式联合引风机，引风机设计工况下的主要参数和结构如下：

风机型号：HA46048-8Z；流量：513.3m3/s；全压升：9 839Pa；效率：85.6％；介质温度：140℃；转速：995r/min；叶轮直径：3 000mm；叶轮级数：1级；每级叶片数：19片；静叶角度调节范围：-75°～30°；轮毂及叶片材质：进口NAXTRA700高强度结构钢；风机制造厂家：成都电力机械厂；驱动汽轮机型号：NG40/32；额定功率：5.946MW；额定气压：4.947MPa；进气温度：345.8℃；转速：7 665r/min；减速机转速比：7.7：1；汽轮机制造厂家：杭州汽轮机股份有限公司。

2014年4月22日，3号机组正常运行过程中，3B汽动引风机组减速机振动突升，保护动作，机组RB。随即对小汽轮机、减速机及风机进行检查：3B汽动引风机跳闸后，小汽轮机盘车无法投入，手动盘车，并打开减速机检查盖检查，未发现异常，盘车仍有声响，脱开风机联轴器后盘动小汽轮机正常，无异音，冲转小汽轮机无异常，初步判断小汽轮机及减速机正常。打开引风机进口风道人孔门，查看静叶及静叶开关情况，未见异常，但在查看风机叶片时，发现所有叶片弯曲变形；揭开叶轮上盖进一步检查发现，风机叶轮有一片叶片已断裂，其他叶片受碰击后弯曲变形，其中17片叶片根部焊缝处有明显裂纹，且2片叶片裂纹延伸至轮毂；风机外壳顶部击穿、底部磨损，圆钢支撑杆被击打脱落；后导叶顶部有轻微损坏，静叶未见损伤。

3B引风机叶轮损坏后，机组被迫降出力运行，由于无备用叶轮，速联系制造厂准备新叶轮，并将损坏叶轮运送至制造厂修复。5月7日，3号机组停运，电厂安排对3A引风机进行揭盖检查，发现该引风机叶轮有11片叶片存在不同程度的裂纹，其中1片叶片裂纹延伸至轮毂。

1 原因分析

静叶可调轴流式引风机的结构形式为单个叶轮，前、后设置导叶，叶轮由许多相同翼型的叶片，径向排列成彼此间距离相等的叶栅，为了获得较高的效率，叶片做成扭曲形。前置导叶的工作原理是，在设计工况下，流体进入导叶后产生与叶轮旋转方向相反的旋转速度，流体经过导叶后的流动方向是轴向的。从叶轮流出的气流为螺旋状沿轴向流动，这个气流运动可以分解为沿轴向的运动和圆周方向的运动。为了减少能量损失，回收圆周方向运动的能量，在叶轮出口端装置导叶——后置导叶，后导叶是静止不动的。气流经过叶轮的旋转运动，气体获得了能量，经后导叶、扩压筒而获得较高的风压。该引风机采用汽轮机驱动，经减速机减速，利用汽轮机进气量变化来改变汽轮机转速，从而实现引风机的变速调节。为便于调节控制，运行中预置前导叶开度于85％～90％保持不变，前置导叶在变工况时，不再起到调节的作用，这样可以适应流量在较大范围内变化，而且有较高的效率。

图1和图2为3B引风机叶轮开裂的现场图片，图1可见其中一片叶片已完全断裂，图2可见大部分叶片根部均有裂纹产生，有的位于焊缝根部，有的距焊缝根部尚有一定的距离。根据引风机的运行状态及裂纹形态可以判定该叶片裂纹起源点位于叶片最端部，而后沿焊缝根部扩展，最后在叶片中间位置撕开。

图1 引风机叶片断裂后轮毂侧断口图

图2 引风机叶片根部裂纹图

3B引风机叶片断裂事件发生后，电厂将断裂的叶片送至安徽电科院，委托进行金属分析。试验人员采用CMT5105型电子万能试验机对试样进行横向和纵向拉伸试验，试验数据见表1。拉伸试验结果显示，来样屈服强度满足相关规定，抗拉强度高于进口钢板厂家的强度试验结果，并且高于标准规定的上限值，延伸率低于相关标准要求。采用HBE-3 000A型布氏硬度计，在金相试样表面进行硬度试验，结果见表2。硬度试验结果显示，来样叶片的硬度高于生产厂家提供的二次调质报告中的回火硬度（210～230HB）。对来样进行光谱检验、冲击试样和金相检验，试验结果未见异常。

表1 拉伸试验数据表

表2 布氏硬度试验数据表HB

通常，引起风机叶片断裂的可能原因有：风机喘振或失速导致叶片受到较大的动应力，破坏叶轮；叶轮母材质量不合格；叶轮焊接、热处理质量不合格；风机变速调节，叶轮受到持续的交变应力引起叶轮疲劳损坏；风机变速调节，转速频率与叶轮固有频率成倍数关系，造成共振，破坏叶轮。现进行具体原因分析：

1）风机喘振或失速引起叶轮破坏。轴流式风机运行中由于调节不当，叶轮进入到不稳定工况区运行，可能出现喘振或失速现象。此时叶轮经过失速区将会受到一次激振力的作用，可使叶片产生共振，叶片的动应力增加，致使叶片断裂。风机喘振或失速主要表现为风量、出口风压出现大幅度波动，剧裂振动和异常噪声。查看3B引风机叶轮断裂前的运行状态，风机风量、出口风压未出现大幅度波动，叶片发生断裂后才出现轴系振动激增，故可以排除风机叶片断裂系喘振或失速导致。

2）制造母材及焊接、热处理质量原因。从安徽电科院的试验数据可见，试样叶片抗拉强度和硬度高于标准规定的上限，延伸率低于标准规定，这是因为该叶片在二次调质过程中热处理工艺不当（回火温度不够或回火时间较短），导致回火不充分，残余应力较高。此种性能条件下的叶片在高疲劳环境下运行，应力最集中的叶片端部首先产生裂纹，继而沿结构中最薄弱的焊接熔合线扩展，最终撕开断裂。

3）叶轮受到持续的交变应力引起疲劳损坏。由于风机利用汽轮机进气量变化来改变转速，实现变速调节，在机组负荷上升或下降时，风机转速为适应负荷调整需要而发生改变，在负荷稳定时，风机转速也会出现持续波动现象。这种风机转速的波动，使叶片受力不断改变，加速和减速时会受到方向相反的力，这个力叫做交变应力，持续不断的交变应力，会使叶片造成疲劳损坏。而叶片的进风口根部所受的交变应力最大，叶片根部会最先产生疲劳源。通过大量DCS数据查看，印证了风机转速和叶轮进出口压力频繁波动现象。数据查看也发现，若仅因为负荷变动而调整风机转速时，转速的波动频率比较小。

4）转速频率与叶轮固有频率造成共振引起破坏叶轮。风机叶片本身具有一定的固有振动频率，引起共振的条件是当外力的脉冲频率和物体的固有振动频率相重合或成倍数时。当风机的叶片产生共振时，它的后果是叶片由于金属疲劳而断裂。通过现场搜集的大量DCS数据来看，风机振动较小，但是某转速区段风机振动值有一定幅度的波动，应该是调速时冲击引起的。根据制造厂提供的技术数据，风机叶片的静止状态下固有频率为144Hz，动态下固有频率为147Hz，风机的第一临界转速为1 290r/min，据此推断，在0～990r/min的转速范围内，理论计算上叶片是可靠的，但由于实际安装情况变化，风机的频率会发生变化，故不能排除叶片共振产生的可能性。

综合上述，造成引风机叶片破坏的主要原因是运行中风机转速波动，产生持续不断的交变应力，从而造成叶轮疲劳损坏；而叶轮在制造过程中热处理工艺不当，残余应力较高，也是造成引风机叶片破坏的重要原因。

2 处理措施

鉴于3B引风机叶片发生断裂和大部扭曲变形，无法进行现场修复，将转子组整体运至制造厂更换新叶轮，出厂前完成动平衡试验。对于3A引风机，因制造厂已无同型叶轮，新叶轮制造周期较长，故对旧叶轮采用现场修补方案。因3A引风机叶轮裂纹非常严重，在裂纹的两端头钻Φ8mm止裂孔，再用磨光机打磨裂纹部位，将裂纹清除干净，着色探伤检查无裂纹，施焊前严格执行制造厂提供的修复工艺，采用直流反接法进行补焊，焊接时控制好层间温度和电流，同时按工艺要求做好焊前预热、焊后热处理工作。待所有叶片裂纹处理完24小时后，再次对叶片进行全面探伤检查。风机在额定转速下试转1小时，各项参数稳定，均在规定范围内。试转合格后，重新对该叶轮叶片进行磁粉检测，未发现裂纹。由于3A引风机叶轮在现场修复，不能保证长时间安全运行，待新加工的叶轮到厂后还须重新进行更换。

为了提高引风机的运行可靠性，防止类似事件重复发生，电厂同时还制定了以下防范措施：

1）加强对引风机运行状态的监视，优化运行调节手段。通过分析DCS历史数据发现，负荷变动时，3、4号机组各台汽动引风机的汽轮机转速在5 400～5 500r/min（对应风机转速为700～715r/min）范围内时，引风机的振动值出现明显增大现象，振幅达到4.4～4.5mm/s，接近风机的振动报警值4.6mm/s。根据这一现象，电厂规定今后尽量避免引风机在该转速范围内长时间运行，如因机组负荷须在该范围内运行时，运行人员应撤出自动，提高汽轮机转速至6 300r/min（对应风机转速为818r/min），通过手动调节引风机静叶开度来实现机组负荷调节。

2）通过DCS历史数据发现，机组负荷稳定投入炉膛负压自动时，引风机汽轮机转速波动值达到200～400r/min（对应风机转速波动值为26～52r/min），叶轮受到持续的交变应力会引起疲劳损坏。电厂后续应研究制定风机转速与炉膛负压控制之间的逻辑关系，优化炉膛负压控制系统的逻辑，可设定适当的死区，避免炉膛负压控制系统自动振荡引起风机转速波动，从而保证风机安全可靠运行。

3）考虑到该工程4号机组引风机结构、运行状况与3号机组相同，电厂需尽快安排对4号机组引风机进行单侧隔离停运检查，如发现裂纹应及时进行修复，同时做好备用叶轮采购工作。

3 结论

近年来，汽轮机驱动或变频电动机驱动的轴流式引风机在新建大型火力发电厂得到一定的推广使用，并带来良好的经济效益，其可靠运行对电厂稳发满发至关重要。我国电站风机的可靠性，与先进国家的差距也正在缩小。从这起引风机叶片断裂和发生裂纹的事件中，反映出对大型风机制造质量和运行优化控制要求的重要性。考虑到高转速下对轴流式风机叶片材料和焊接强度提出了更高的要求，建议在满足风机风量、全压升等性能参数要求的前提下，尽可能选用较低转速的风机，提高风机的运行可靠性。

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介绍了某电厂660MW超超临界发电机组汽轮机驱动静叶可调轴流式引风机运行中发生叶片断裂事件，并从风机的结构原理、工作机理和运行状态出发，分析了造成叶片断裂的几种可能原因，提出了有效的处理方法。■关键词：汽动；轴流式引风机；叶片；断裂

Analysis of the Blade Fracture of Steam-Driven Induced-Draft Fan for 660MW Unit

Zhang Lvhua/Zhejiang Zheneng Electric Power Co.,Ltd.
Zhu Chaoyang,Liu Chuanhuai/Huaizhe Coal Power Co.,Ltd,Fengtai Power Generation Branch

steam driven;axial flow fan; blade;fracture

TH453；TK05

A

1006-8155（2015）01-0089-04

10.16492/j.fjjs.2015.01.101

2014-07-01浙江杭州310007

Abstract：This paper introduces the blade fracture occured in the operation of static adjustable axial flow fan driven by a 660MW ultra supercritical steam turbineunit.Based on the structure and principle,working mechanism and operating conditions of the induced-draft fan,it analyses several possible causes of blade fracture,and presents effetive treatment methods,which can provide good reference for the same type of unit.