600 MW汽轮发电机定子股线断裂故障的分析

2021-07-05刘亿鑫赵淑媛薛青裕贾占峰宝音太

上海电气技术 2021年2期

刘亿鑫赵淑媛薛青裕贾占峰宝音太

1.华电内蒙古能源有限公司呼和浩特 010020 2.华电包头发电有限公司内蒙古包头 014000

1 分析背景

随着新能源技术的成熟,在火力发电机组频繁参与深度调峰的背景下,大型汽轮发电机由于励磁电压高、励磁电流大、转子匝间绝缘裕度小、频繁遭受大负荷变化冲击等原因,发生故障越来越频繁。汽轮发电机工作环境复杂,当受到交变电磁力作用时,其端部绕组会产生振动。此类振动受多方面影响,包括端部绕组受到的电磁力、发电机所带的负荷、端部的磁场强度。频繁振动会使端部固定部件产生松动、摩擦、脱落,引起线棒绝缘层损坏,甚至磨损线棒导线。在线棒应力集中处,会加速疲劳裂纹扩展,严重威胁汽轮发电机的安全稳定运行。笔者对某600 MW汽轮发电机定子股线断裂故障进行分析,为类似故障的预防和分析提供参考。

2 主要参数

某600 MW汽轮发电机于2006年投入运行,主要参数见表1。

表1 汽轮发电机主要参数

这一汽轮发电机为全封闭、自通风、强制润滑、水-氢-氢冷却方式、圆筒型转子、同步交流发电机,定子绕组为YY连接方式,励磁方式为机端变静止励磁。

这一汽轮发电机首台于1989年投入运行后,根据制造、安装、调试、运行的经验反馈进行了设计改进,但定子线棒和端部固定结构没有进行设计变更,一直沿用原结构。

3 故障概况

2019年6月8日,在600 MW汽轮发电机运行过程中发现漏氢量超标,当日漏氢量为12.98 m3,要求为不大于11 m3/d。经排查,定冷水箱处氢气含量较高。之后持续跟踪至6月19日,汽轮发电机停机,漏氢量没有减小。6月21日,打开端盖人孔,发现汽轮发电机定子汽端2点钟位置8号槽下层线圈水盒后的线圈绝缘处有漏水,如图1所示。

图1 现场漏水情况

在定子拆解过程中,又相继发现汽端6点钟位置11号槽上层线圈和36号槽下层线圈的股线发生漏水,11号槽上层和36号槽下层为相连的线棒。同时发现汽端6点钟位置偏右的内撑环固定螺杆有移位,曾磨损线圈和绝缘锥环,用浸胶涤纶毡塞在绝缘锥环孔中,挤住螺杆归位。漏水线棒、磨损线棒、绝缘螺杆位置分布如图2所示。拆下的汽端内撑环中,下半部分三块与线圈接触的适形材料表面有油泥,说明这三块内撑环已经与线圈脱开。拆解过程中发现两根空心导线与三根实心导线断裂,断口垂直于导线,位于整体钎焊与导线无钎焊交界位置,距水盒根部40 mm左右。股线断裂位置如图3所示。

图2 漏水线棒、磨损线棒、绝缘螺杆位置分布

图3 股线断裂位置

4 股线断裂诊断

4.1 金相分析

为排除热熔化钎料拆解对股线带来的热影响,对线棒进行冷切割拆解股线,分别在远离钎焊区、靠近钎焊区、水盒根部切断区三个位置切取导线进行金相检验,切取导线位置如图4所示。

图4 切取导线位置

股线金相图谱如图5所示。从冷切割拆解线棒的金相检测结果看,水盒根部钎焊区晶粒较大,这说明钎焊过程会导致晶粒长大,但对晶粒均匀性影响较小。由靠近钎焊区空心铜导线横截面低倍金相组织可以看出,横截面晶粒大小不均匀,中间位置大片细晶区和大片粗晶区互相交错,呈现金相组织不均匀的混晶现象。事实上,股线断裂位置并没有位于更加靠近感应加热热源中心的水盒根部,而是位于水盒钎焊后钎料重力自流的边缘位置,即靠近钎焊区。此处是钎焊后软硬交界处,属于应力集中位置,正常运行状态下可以保证汽轮发电机在使用寿命期内不发生问题,异常振动则会加速股线疲劳寿命损耗,最终导致股线在使用寿命期内发生断裂。

图5 股线金相图谱

4.2 化学分析

选取汽端11号槽上层、汽端12号槽上层、励端7号槽下层、励端25号槽下层线棒,各取一根实心导线和一根空心导线进行化学成分检验。经检验,空心导线和实心导线的主要化学成分铜含量、氧含量均满足JB/T 10415.1—2016《发电机液体内冷空心导线第1部分:铜空心导线》中无氧铜的化学成分要求。

4.3 力学分析

对于现场沿水盒根部切断,采用感应加热熔化钎料的11号槽、12号槽、13号槽、37号槽线棒空心和实心导线,选取靠近钎焊区的部位进行弯曲和拉伸性能试验,结果见表2。

表2 股线力学性能试验结果

力学性能试验结果表明,当股线的弯曲角度大于标准要求的空心线窄边弯曲角度(120°)、实心线宽边弯曲角度(90°)时,股线表面无裂纹,弯曲性能合格。空心导线的抗拉强度基本在220 MPa～230 MPa之间,实心导线的抗拉强度基本在240 MPa上下波动。力学性能试验结果显示,各股线之间的数据较为接近,均符合抗拉强度标准要求。拉伸试样的断裂位置较为随机,虽然靠近钎焊区受到钎焊加热和感应加热熔化钎料的两次加热过程,但拉伸试样极少断裂在临近钎焊位置,说明整个股线的强度并非以靠近钎焊区为最薄弱。

4.4 断口形貌分析

8号槽下层线棒最外层一侧的空心导线和实心导线断裂位置位于导线钎焊连接与未钎焊连接的结合处。空心导线断口宏观形貌如图6所示,实心导线断口宏观形貌如图7所示。从断口宏观形貌可以看出,空心导线和实心导线壁厚较为均匀,未发生明显变形。断口宏观形貌表现为疲劳引起的脆性断口,断口绝大部分为扩展区,相对平整光滑,应为低循环应力载荷下的裂纹扩展,左侧存在撕裂岭,为疲劳瞬断区。

图6 空心导线断口宏观形貌

图7 实心导线断口宏观形貌

空心导线断口微观形貌如图8所示,实心导线断口微观形貌如图9所示。可以看出断口光滑平整,空心导线在疲劳裂纹扩展区能够观察到疲劳条纹,断口上均有明显贝纹休止线,呈现疲劳断裂特征,可以判断导线的断裂属于疲劳断裂。

图8 空心导线断口微观形貌

图9 实心导线断口微观形貌

5 股线断裂原因

汽轮发电机股线断裂故障较为少见,考虑到汽轮发电机长期处于热应力、电磁力、机械力环境中运行,故障原因复杂,所以从三个方面进行分析。

5.1 现场运行情况

根据现场检查情况,线棒曾经发生过异常振动和磨损,汽端下半部分的三块内撑环已经与线圈脱开,汽端6点钟位置偏右的内撑环固定螺杆有移位,依靠塞在绝缘锥环孔中的浸胶涤纶毡挤住归位,曾磨损线圈和绝缘锥环。由此可以判断,汽端端部绕组检修回装后没有得到很好的固定,产生了主绝缘磨损和振动。在汽轮发电机异常振动所产生的长期交变载荷作用下,应力集中处形成疲劳裂纹,疲劳裂纹不断扩展,最终导致定子股线断裂和漏水。

经现场分析,推断内撑环固定螺杆脱落及线棒磨损过程为振动、螺杆磨损、螺杆变细、螺杆断裂、螺杆落入线棒、振动、线棒磨损。由于运行时端部振动,造成汽端内侧安装螺杆的螺孔螺纹损伤,局部掉牙,螺孔端部磨成喇叭口,导致螺杆与螺孔不能充分接触,端部处于悬垂状态。内撑环比较厚重,螺杆逐渐松动,内撑环松动并逐渐加剧,造成螺杆磨损或脱落。脱落的螺杆掉落至8号槽和36号槽线棒上,由于运行中的振动作用,这两根线棒均发生断裂漏水。

在运行过程中,空心导线内部充满压力为0.2 MPa～0.25 MPa的冷却水。2019年5月,汽轮发电机转子曾出现异常振动,并且汽端轴瓦振动幅值最大。转子的异常振动加剧了股线疲劳损耗,加快了裂纹的发展,最终发生断裂和漏水。导线振动时,内部的除盐水产生振荡,线壁受到水的冲击作用。导线内壁沿纵向有密集拉痕,促使在导线内侧边棱部位产生应力集中,成为裂纹源。裂纹形成后,在潮湿的环境中断口表面氧化,体积膨胀,加上裂纹内部进水,加速了裂纹的扩展。

5.2 试验结果

根据返厂材料性能和断口形貌分析,证实是因为疲劳裂纹不断扩展而最终导致股线断裂和漏水事故。根据拉伸试验结果,断裂位置较为随机,虽然靠近钎焊区部位受到钎焊加热和感应加热熔化钎料两次加热过程,但拉伸试样极少断裂在临近钎焊位置,说明对于股线而言,并非靠近钎焊区强度最为薄弱。钎焊工艺本身的特点会使股线受热,进而使晶粒组织在一定程度上变大,但是严格的工艺参数可以保证不发生此类问题。加之钎焊工艺已经过多台汽轮发电机的实践验证,可以确认钎焊工艺本身不足以导致股线断裂。

5.3 制造工艺

故障汽轮发电机定子线棒空心铜导线和实心铜导线来自不同的供货厂家,铜导线出厂都有检验,实心铜导线和空心铜导线同时出现材质不合格的概率几乎为零,原材料质量问题可能性不大。定子线棒和端部固定结构按照引进技术制造,未做过设计变更。钎焊工艺准确控制加热温度及时间,对股线力学性能、弯曲性能、晶粒长大的影响较小。设计结构和制造工艺过程是成熟、可靠的,可以排除设计结构和制造工艺原因。自1989年首台汽轮发电机投运至今,200余台汽轮发电机没有发生过类似故障,可以判定本次股线断裂故障是偶发的个例。

综合以上分析,汽轮发电机股线断裂的原因很可能是汽轮发电机振动,导致端部松动,螺栓脱落,磨损股线,并且在应力集中区形成裂纹源,造成股线断裂。