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    動葉可調大型軸流式引風機葉片斷裂的原因分析

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    人氣:-發表時間:2016-11-14 14:30【

    大型軸流引風機是火力發電廠的主要輔機,它的安全可靠性直接關系到電廠的安全經濟運行。某電廠國產汽輪發電機組的每臺鍋爐蒸發量為1 021 th,配有ASN-28801600型動葉可調軸流式引風機。199344臺機組相繼投產以來,多次發生引風機葉片斷裂事故,給電廠的安全生產和經濟運行造成了極大的威脅和損失,為此,就引風機葉片斷裂原因進行分析。

    1引風機設備概況

    ASN-28801600型軸流式引風機的作用是將鍋爐爐膛中燃燒所產生的煙氣吸出,通過煙囪排至大氣。每臺鍋爐配備2ASN-28801600型引風機,其葉輪直徑為2 880 mm,輪轂直徑為1 600mm,設計葉片材料是ZL402鑄鋁合金,牌號為ZA1Zn6 Mg,葉片頭部設有可更換的不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)耐磨鼻,葉片表面鍍硬鉻,用于防磨。動葉角度的調節是由風機外部的伺服馬達帶動調節驅動裝置,經調節拉叉使液壓機構動作,推動輪轂內的調節盤做軸向移動來傳動葉片。

    2葉片斷裂損壞的主要情況

    大型軸流引風機

    1994211號爐A軸流風機在運行中發生葉片全斷開始,至20016月止,電廠先后共發生11次引風機葉片全斷事故,累計停機時間達1 317 h;9次停機檢查,發現葉片根部6個螺栓的連接筋有裂紋或出現螺栓松動、斷裂情況,累計停機時間114 h?! ?/span>

    2.1引風機葉片全斷情況

    在全廠引風機葉片全斷的情況中,1號爐A引風機共占了8次,3號爐B引風機占1次,4號爐A引風機占2次,2號爐引風機從未發現過斷葉片事故。葉片全斷前的運行工況中,引風機軸振值有的在3050μm之間;引風機軸振值有的在正常范圍;有的還發生在機組變負荷工況下,引風機振動突變,發出巨響并跳機。

    引風機葉片全斷的主要特征是:26片動葉全部折斷,部份平衡錘斷裂;軸承箱地腳螺栓斷裂,嚴重的有調節油缸、旋轉油封損壞,主體風筒和風箱導葉變形。

    2.3葉片裂紋損壞情況

    在停機檢查中,發現4號爐A、B引風機占了6次之多,23號爐B引風機各占一次。停機前,風機軸振值在5075μm之間,只有一次軸振是正常的,葉片斷裂主要發生在葉片根部底盤,并貫串3個螺絲裂開。

    3葉片斷裂的原因分析

    3.1葉片材料存在質量問題

    葉片材料存在質量問題是葉片斷裂的主要原因,我們可以從以下幾個方面的分析可知。

    大型軸流引風機

    3.1.1葉片化學成分分析,斷裂葉片合金元素Zn的質量分數超過了國標規定的技術條件上限的2.03%。鑄鋁合金ZL402的主要特點有自硬傾向,這種特性可避免工件因淬火產生較大內應力而引起開裂和變形問題,葉片在自然狀態使用,可保證尺寸穩定,但是,隨著鋅質量分數的增加,合金的百分比上升,鑄造性能下降,從而造成熱裂、針孔和疏松的傾向增大,導致合金的塑性急劇下降,這是引風機葉片極易斷裂的原因之一。

    3.1.2葉片機械性能分析,從葉片的拉伸、沖擊和硬度試驗結果看,斷裂葉片材料的延伸率δ5僅為1.5%2.0%,比國標GB1173—86規定的δ5≥4%小了12以上,其沖擊能和沖擊韌性低,均為沿晶脆性斷口,葉盤、葉型底部、葉型頂部的硬度(平均)分別為HB110,HB108,HB106,符合國標規定硬度不小于HB65的要求,但葉型的硬度比葉盤的硬度低,這與該類型鑄件的壁厚越薄則硬度越高的規律相反。因此,葉片延伸率低于技術條件要求也是葉片斷裂的原因之一。

    3.1.3大型軸流引風機的葉片金相檢驗分析,葉片的金相檢驗確認,在未侵蝕狀態下,檢查金相拋光面的枝晶間疏松程度,葉型頂部輕、葉型底部次之,葉盤嚴重,當枝晶間的疏松連貫一起就成為細裂縫。葉型頂部、葉型底部和葉盤處的金相組織均為α基本相+Zn粒子+晶界析出物,其枝晶間組織存在嚴重疏松,從X射線能譜的試驗結果可知,雜質元素鐵和硅富集晶界,它使葉片在運行中處于脆性狀態而極易斷裂。

    3.1.4葉片斷裂性質分析,用OPTON高分辨立體顯微鏡和JSM-840掃描電子顯微鏡進行斷口的微特征分析,確認葉片屬于沿晶脆性斷裂,裂紋擴展路程不是沿小截面而是沿垂直于主應力的方向。在運行中葉片承受的作用力由離心力引起的拉應力、彎曲應力、煙氣彎曲應力和振動應力組成。工作面側葉盤螺絲孔外表面的綜合應力較大,由于該處應力集中的存在,在表面缺陷處,存在疏松和微裂紋晶界脆性相開裂,因材料的塑性變形能力差,裂紋尖端的應力集中不能通過塑性變形而松馳,應力達到名義應力的3倍,而且葉片材料的屈強比高達96.5%98.2%,裂紋尖端的材料達到屈服應力后即會開裂。

    從葉片材料的分析可知,葉片制造存在嚴重的質量問題。正是由于葉片鋅的質量分數和延伸率均達不到國標規定的技術要求,導致葉片沿晶脆性擴展裂紋,塑性急劇下降,葉盤處枝晶間疏松,雜質元素鐵和硅富集晶界,使葉片在運行中處于脆性狀態,煙溫過高時,葉片的工作溫度可能超過材料的極限溫度而發生過時效,使葉片性能進一步惡化,這也說明了為什么葉片在運行中會多次出現裂紋,甚至全部斷裂的惡性事故。

    大型軸流引風機

    3.2風機長期處于失速邊緣和在失速區運行,風機長期處于失速邊緣和在失速區運行是葉片斷裂的重要原因。鑒于1號爐B引風機一直能保持正常運行,因此,我們對A引風機的特性和實際運行工況進行了試驗和分析。

    3.2.1試驗結果及其分析,對A,B引風機動葉就地30°35°角的性能進行了冷熱態試驗, A引風機試驗的性能曲線與廠家提供的不符,動葉30°35°角時的性能曲線分別與廠家提供的37°42°性能相當,動葉的實際角度比控制室的指示值約大?! ?/span>b)A引風機失速區域比制造廠家提供的大,實測的風機失速界限線位于廠家提供的風機性能曲線失速界限線的右下方,當風機流量為250 m3s時,其不失速的高全壓為4.4 kPa降至3.85 kPa,降低了550 Pa;當風機全壓為3.6 kPa時,其不失速的小風量由173 m3s增加到206.7 m3s。當1號爐兩臺引風機在機組負荷290 MW以下運行時,處于該型風機的穩定運行區域,而實際上A引風機的運行已非常接近失速區。

    3.31號爐引風機的運行特殊性,從1號爐引風機實際運行工況的試驗可知,當引風機在靠近失速區域運行時,氣流壓力脈動幅值明顯增加且頻率減小,當動葉角度為30°,脈動頻率為139 Hz時,其幅值達1.6 kPa,這不僅使葉片的作用力增加了1倍,重要的是139 Hz的頻率恰好為葉片固有頻率的2倍,它可以使葉片共振而損壞葉片,當風機失速時,氣流壓力脈動幅值達2kPa以上,葉片的動力值明顯增加,局部應力集中,終導致葉片薄弱處(如根部)疲勞折斷或葉片固定螺釘松動,在葉片力作用下螺釘本身疲勞而被扭、剪斷,導致葉片損壞。因此,軸流風機在這樣的狀況下運行勢必會導致葉片的斷裂。通過對1號爐A、B引風機的運行數據分析,由于A引風機流量比B引風機小,A側煙氣系統阻力又高于B側達300 Pa以上,其本身實際失速區域又大于設計值,使A引風機更接近失速區運行,形成了A引風機運行的特殊性?!?/span>4防止引風機葉片斷裂的對策

    從分析葉片斷裂的原因可知,要防止葉片斷裂,首先要解決葉片的材料問題,其次是防止引風機長期在失速區運行。

    4.1大型軸流引風機葉片進行改造,改造葉片,以提高風機整體抗振能力。改造的新葉片需滿足以下兩點要求:

    a)必須滿足原設計和實際運行工況要求;

    b)150170°C溫度下長期運行,葉片組織性能穩定。

    根據這兩點,通過對國內同類引風機葉片的調研后,采取了雙管齊下的攻關戰略,既選用鍛鋁葉片,又選用優質鋁-銅系鑄鋁葉片。從199810月開始,使用新型葉片后,出現過ZL201 A葉片防磨層脫落情況,但沒發生葉片斷裂事故。從使用效果看,鍛鋁葉片無論在外觀、制造工藝、表面線型、平衡性和耐磨性等綜合性能均優于鑄鋁合金葉片。

    現從它們的主要特征和使用效果來分析:

    a)鍛鋁合金  熱態下塑性較高,易鍛造、沖壓,葉片的外觀、表面線型好。延伸率和沖擊韌性高,針孔和疏松可消除,強度較高,但有晶間腐蝕傾向??估?、抗振、耐磨,外觀、表面線性好,安裝后丹麥進口葉片不用做動平衡,風機運行中穩定性好,未發生葉片斷裂。

    b)鑄鋁-銅合金  耐熱性好,塑性和韌性好,焊接、加工性能好,但鑄造和耐蝕性差,疏松傾向性大,葉片的外觀、表面線型較差??拐裥院?,使用2年后防磨鼻有磨穿,防磨層有脫落,抗磨性不強。安裝后需做動平衡調試,風機運行中振動易漂移,未發生葉片斷裂?! ?/span>c)鑄鋁-鋅合金  鑄造性能好,耐蝕性良好,但具自硬傾向,隨著鋅的質量分數的增加,鑄造性能下降時形成熱裂,針孔和疏松傾向增大??拐裥圆?,抗磨性一般,根部容易產生裂紋,運行中多次出現葉片斷裂?! ?/span>4.2防止風機失速喘振的技術措施。

    4.2.1降低煙氣系統阻力  對1號爐尾部煙道進行模擬試驗后,采取以下的技術措施:  

    a)將電除塵器出口由2個并行煙道經90°轉彎水平匯合改為30°水平匯合的三通部件?! ?/span>

    b)將兩處90°彎頭和收縮段的截面改變,并加分隔板,將直角彎頭外角由銳角改為圓角?! ?/span>

    c)在三處彎頭煙道內重新設計布置導向板。

    大型軸流引風機

    煙道改進后經驗證,尾部煙道阻力共降低340 Pa,引風機電流降低4 A以上,降阻后引風機運行點距離失速線遠了。

    4.2.2減少空預器積灰和漏風,運行中控制空氣預熱器阻力在-1.0-1.2kPa之間(其設計值為-0.92 kPa),加強空預器的阻力監視,做好空預器的吹灰工作,只要阻力大于-1.2 kPa,即進行吹灰,平時堅持定期吹灰。在每次機組大小修時,清洗空預器受熱面,主要措施是用TJ-4RJ-5型空預器清洗劑,采用潤滲乳化松散退靜電防銹蝕預膜整套空預器受熱元件不拆卸的化學清洗新工藝,同時,對空氣預熱器密封進行改造,將冷端徑向密封由24片改為48片,另外將冷熱端靜態密封及熱端中心筒密封進行改造,將原來空預器入口煙道伸縮節由二波伸縮節改為三波伸縮節,材料由CORTEN鋼改為SUS304鋼。經過密封改造后,空預器漏風率控制在12%以下,將系統效應損失降到盡可能低的程度。

    4.2.3加裝風機失速報警裝置,針對1號爐A引風機的特殊情況,在風機就地裝差壓表,進行跟蹤巡視校驗,發現不正常情況及時分析和調整,使差壓值不大于137.3 kPa?! ?/span>

    4.2.4金屬探傷處理,對購進的葉片螺釘備件進行100%的金屬探傷處理,同時在停爐期間對葉片及其螺釘進行著色檢查,并建立檢查檔案,每次檢修后都對風機進行動平衡試驗,將風機振動值控制在小范圍?! ?/span>

    4.2.5改變鍋爐引風機振動報警值,根據風機的支撐特性,風機擴散器鋼度不夠,完全靠自重設置在滑軌上,因此其水平方向的振動值大,將風機軸振測點全部統一布置,以水平方向的軸振值作為運行監視控制值。同時,鑒于新葉片抗振能力有了較大的提高,根據國標JBTP334-87引風機振動值不大于6.3 mms以及制造廠推薦的報警值為4 mms的規定(相當于振幅109μm),結合珠江電廠的實際情況,將鍋爐引風機振動報警值由50μm改為80μm,跳機保護值由125μm改為150μm?! ?/span>5結束語  引風機葉片經過選型改造并采取減少風機失速機結構布置及其系統運行特性原因,個別引風機在運行中還會出現振動漂移現象,為此,在日常工作中,應做好風機的治理工作,確保引風機長期安全經濟運行。

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