6MW汽轮机转子轴颈处裂纹分析及处理

2016-10-21刘广俐

科技创新与应用 2016年7期

关键词：裂纹

刘广俐

摘要：针对某6MW背压式汽轮机转子轴颈上出现裂纹，进行超声波探伤，确定了裂纹的长度及深度，通过对汽轮机转子进行寿命评估，依据转子的设计、制造、机组的运行里程及历次检修检查结果，对转子危险部位进行了应力分析和裂纹车削前和车削后的疲劳寿命评估，确定裂纹的解决方案。

关键词：汽轮机转子；轴颈；裂纹；扭转应力；许用应力

由我公司设计制造的一台6MW背压式汽轮机（B6-2.2/0.245）于2008年在巴基斯坦某糖厂投入运行。机组在2015年8月大修时，意外发现转子轴颈旁出现1条裂纹。于是糖厂通过肉眼观察和进行超声波探伤检查，并将检查报告反馈我公司，要求提出具体解决方案。

1 转子轴颈裂纹的现场检查和分析

本汽轮机转子后轴承轴颈宽度180mm，直径φ140mm，主轴材料为：34CrNi3Mo。现场的检查情况是：距后轴承中心70mm的轴颈位置发现1条宏观裂纹，正好位于轴颈与后轴承座油封间的倒角位置上，裂纹为径向方向，裂纹长度为14-15mm，在扫描区域可见裂纹深度为5-8mm。

2 事故诊断分析

转子是汽轮机组最重要的关键部件，其工作状态比较复杂，在高温、高转速状态下，既承担着较大的离心应力及传递功率所产生的扭转应力，又承担着较大的热应力，还可能产生弯曲、振动等。转子在高温环境下运行，同时在汽轮机启、停和变负荷过程中承受交变应力，会产生低周疲劳。蠕变和疲劳同时存在，两者是交互作用的，产生疲劳损伤，特别是对调峰机组和做驱动用的机组来说更为严重。因此，汽轮机转子产生裂纹的情况非常多，后果也很严重，转子体出现裂纹是最大的安全隐患之一。

产生裂纹的原因如下：

（1）调峰期间或者热应力对转子的影响。热应力主要发生在高中压转子的前几级，它是由于转子各部分温度不均匀，各部分材料之间膨胀或者收缩互相限制而引起，材料经过多次交变应力的作用之后，有可能产生疲劳裂纹，温差越大，产生疲劳裂纹的期间就越短。

（2）热变形及蠕变影响。在汽轮机启动、停机或者汽缸疏水不畅时可能出现这种情况。热变形将会引起转子的弯曲，而发生弯曲的转子投入运行是很危险的。蠕变现象是高温区段的材料在离心应力的作用下，缓慢地发生塑性变形的现象，严重的蠕变将导致材料的断裂。

（3）机组启停操作原因。汽轮机在启动或者停机时操作不当，机组启动时间不充足，启动过程中暖机时间短，热应力较大。

（4）机组可能发生过严重的断油烧瓦，机组转速降到零之前，供油系统未能恢复，导致轴颈表面产生裂纹。

对该机组轴颈处的裂纹进行超声表面波检测，和裂纹深度测量，根据检测结果对事故成因进行分析。此汽轮机转子的轴承宽112mm，裂纹不在轴颈与轴承接触面上，后轴承轴颈处主要承受传递功率所产生的扭转应力。（1）轴颈处工作温度在100℃左右，工作压力为大气压。轴颈裂纹处的工作温度不高，因此由于热应力造成裂纹的可能性较小。（2）裂纹位于轴颈与后轴承座油封间的倒角位置上，有可能是此处倒角在转子加工过程中倒角处无光滑过渡并抛光，在机组在长期运行过程中，在扭转应力的作用下出现小裂纹，并发展成大裂纹。（3）轴颈处载荷相对过大，可能经常出现少油或者缺润滑油的状态，导致轴颈表面产生裂纹；（4）该转子在锻件锻造时轴颈处可能已存在微小的裂纹，裂纹正好位于表面探伤检查的死角上，在检验及加工过程未发现裂纹，机组在长期运行过程中微小裂纹演变成大裂纹。

3 裂纹的处理

对汽轮机转子进行寿命评估，依据转子的设计、制造、机组的运行里程数和历次检修检查结果，对转子危险部位进行了应力分析和裂纹车削前和车削后的疲劳寿命评估，并计算轴颈处所受的扭转应力的最大值，与此处的许用应力比较，推算此轴颈是否够承受扭转应力。根据裂纹深度为5-8mm，初步的维修方案是产生裂纹处单边车10mm，即由原来φ140mm加工至φ120mm，根据加工后的直径尺寸φ120mm计算轴颈处的切应力，计算结果如下：

已知：材料 34CrNi3Mo

切向σ0.2（MPa） 670

最大功率N（kW） 6600

最小转速n（rpm） 5700

直径d（m） 0.12

求解：ns=2

[σ]=σ0.2/ns=670/2=335（MPa）

[τ]=0.6*[σ]=0.6*335=201（MPa）

转矩T=9550N/n=9550*6600/5700=11057.9（N*m）

抗扭截面模量WT=πd3/16=3.14*0.12^3/16=0.0003393（m3）

轴的切应力τ=T/WT=11057.9/0.0003393/1000000=32.6（MPa）

结论：τ<[τ]，加工后的直径尺寸φ120mm计算轴颈处的切应力τ远远小于材料的许用应力[τ]，该处理方案理论上可行。初步维修方案见图1。