轴流引风机叶轮压盖螺栓断裂分析

2021-11-25彭鹏李国庆

机械工程师 2021年11期

彭鹏，李国庆

（1.安徽淮南平圩发电有限责任公司，安徽淮南 232089；2.中电华创电力技术研究有限公司，上海 200086）

0 引言

锅炉引风机作为火力发电厂的重要辅机设备，其运行性能直接影响着机组的安全稳定与运行经济性，引风机的单侧故障停运会导致机组降出力运行，更容易导致发电机组的非计划停运事件[1]。因此引风机的正常运行是发电机组安全运行的保障，及时对其故障的诊断与处理较为重要。本文针对某电厂640 MW超临界机组锅炉引风机叶轮压盖螺栓断裂事故，从安装结构、振动因素和金属原因多角度进行分析，为其他电厂出现类似问题提供参考。

1 设备概况

某厂4号超临界640 MW机组锅炉YA46236-8Z型引风机是由成都电力机械厂制造生产的轴流式、静叶可调风机，该静叶可调轴流式引风机主要由进汽室、集流器、动叶、导叶、扩压管等部件构成，叶轮布置在轴承箱前端，用叶轮压盖在轴向位置进行定位，引风机转子和电动机转子之间由1根空心轴连接，在电动机转子及引风机转子侧分别由1个膜片式联轴器与空心轴连接。电动机由2个轴瓦支持轴承支撑，引风机由1个支撑轮毂的滚柱轴承和2个平衡轴向推力的角接触球轴承组成的轴承箱支撑，设备主要参数如表1所示。

表1 风机设备参数

该引风机因电动机侧轴向振动过大，超过300 μm，电厂申请调停，对该引风机及电动机进行解体检查，解体过程中发现8根引风机的叶轮压盖螺栓全部断裂，且测得叶轮孔径为250.10 mm，轴径为249.90 mm，配合间隙过大（标准0～0.05 mm），轴承箱解体后检查，轴承未见异常，部分断裂的螺栓如图1所示。

图1 叶轮压盖螺栓断裂

2 安装结构

叶轮与主轴是风机转动件中的主要部件，必须确保两者轴向与径向的固定，它们的牢固度既关系到风机运行的稳定性、安全性，又与风机检修时拆卸是否方便有关[2-5]。叶轮与主轴的安装联接方式有多种，该型引风机未采用常见的键连接方式，而是通过叶轮压盘来固定叶轮，叶轮压盖与叶轮的安装型式如图2所示。

图2 轴流引风机压盖与叶轮连接图

叶轮上的孔与主轴具有间隙配合关系，叶轮可以在不加热的条件下套上主轴直至抵住轴套，叶轮压盘在另一侧压住叶轮并通过8根8.8级的M24的高强度螺栓与轴头连接，这样叶轮就被压盘和轴套夹住，完成了轴向固定。风机叶轮与联轴器用螺栓连接，由电动机带动，在摩擦力的作用下，主轴、轴套和压盘随叶轮一起旋转。这种联接方式下压盖螺栓承受较小的启动力矩，通常并不会因为受力过大而断裂，从安装结构上分析，若压盖螺栓断裂，原因主要有以下几方面：1）螺栓安装时紧固力过大，容易造成螺栓损伤或断裂；2）螺栓安装时紧固力不够，或者长周期运行后螺栓发生松动，叶轮与主轴发生相对位移, 叶轮在转动过程中轴向窜动且不断撞击叶轮压盖导致压盖螺栓断裂；3）设备轴系振动偏大，压盖螺栓在长时间的高频振动作用下内部产生交变应力造成金属疲劳，最终导致螺栓断裂。

3 振动分析

该引风机为变频风机，于2020年11月份进行检修，更换风机轴承后，试运行风机时，风机振动随转速增大而增大，尤其电动机侧驱动端水平振动，在880 r/min转速下高达近200 μm。通过振动监测，风机和电动机均在水平方向振动偏大，振动分量以1倍频分量为主，且1倍频分量振动随转速增加而增大。于是电厂决定进行现场动平衡处理，由于现场条件限制，无法在风机叶片处加重，只能在联轴器处加重，而空心轴靠近电动机联轴器处加重对降低电动机振动效果较好，但是对风机的振动影响较小，又因为联轴器处加重对电动机和对风机影响的角度不同，经计算，无法同时降低电动机侧和风机侧的振动。于是最终决定以降低电动机振动为主，在空心轴靠近电动机联轴器侧加重11 kg，有效降低电动机驱动端水平和轴向振动。动平衡后风机振动数据如表2所示。

表2 动平衡处理后风机和电动机振动参数

该引风机做完动平衡后不久就随机组启动带负荷，因另一侧引风机存在结构共振的问题，两台引风机均设置为800 r/min的转速，用静叶调节流量运行。在运行一个多月的时间后，该引风机振动出现变化，各测点振动值缓慢增加，整体振动趋势恶化，且振动值随转速波动。电动机两端的轴向振动变化较大，自由端轴向振动由30 μm增加到最大330 μm，驱动端轴向振动由68 μm增加到最大210 μm，恶化后的振动数据如表3所示。

表3 引风机恶化后800 r/min时振动数据表

由于该引风机振动较大，出于安全考虑，申请调停，对风机及电动机进行解体检查，解体过程中发现引风机叶轮压盖螺栓全部断裂，轴承箱解体后检查，轴承未见异常。更换新的螺栓后，该风机再次试运行启动，电动机侧和风机侧振动值明显下降，振动最大点在电动机自由端和驱动端水平方向，约65 μm，经动平衡计算，若要降低这个振动，需在空心轴靠近电动机侧联轴器处加重约11 kg，且加重角度与上次动平衡角度相差180°，将上次所加平衡块取下后，再次启动该风机，各转速下各测点振动良好，均小于30 μm。

此次动平衡只是将上次所加平衡块取下，风机振动即得到有效降低，上次所加平衡质量在这次风机检修后已变成附加的不平衡量，表明在上次动平衡时，该风机叶轮压盖螺栓处已经出现失效故障，但尚未完全失效，风机整体表现为动不平衡故障，后在运行期间其余螺栓发生断裂，导致轴系整体失稳。

4 金属分析

对部分断裂的螺栓进行元素成分分析，检测结果如表4所示，送检的8.8级高强度螺栓存在材质差异。按照DL/T439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》规定[6]，35钢的标称抗拉强度为510 MPa，不满足设计要求8.8级强度螺栓（标称抗拉强度为800 MPa，屈强比0.8）的规定。

表4 螺栓元素成分质量分数检测结果

对送检螺栓进行断口分析，未见明显变形、缩颈区域，考虑为受剪切力较大而断裂，结合风机叶轮与轴径的配合间隙较上次检修后出现较大变化，以及该螺栓的安装工艺等，推测风机叶轮压盖螺栓断裂原因如下：首先8根螺栓存在强度不同的现象，其次螺栓预紧时并未按照规定使用力矩扳手，采用大锤敲紧的方式紧固螺栓，造成螺栓紧固力矩存在较大不同，这两条因素便导致了单根螺栓因强度不足先行断裂。某根螺栓断裂后，风机叶轮的转动便发生某一角度偏转，造成叶轮和主轴发生某一方向的摩擦进而造成两者间隙的扩大。当叶轮和主轴间隙扩大后，则带动主轴转动的摩擦力将减小，从而转为依靠叶轮通过摩擦力带动压盖后，通过压盖螺栓传递给主轴，则压盖螺栓会承担较大的剪切力，从而在长期变负荷运行过程中造成压盖螺栓全部发生剪切断裂。