關(guān)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生的原因分析和運(yùn)行時(shí)的安全措施的研究

　  1裂紋情況
　　河北省南部電網(wǎng)某廠#2機(jī)為上海產(chǎn)單缸沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，1972年6月投產(chǎn)，容量50MW，型號(hào)為N5090，運(yùn)行至1986年，更換了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。2003年10月，在該機(jī)組大修的過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子調(diào)速級(jí)及汽封處發(fā)現(xiàn)裂紋.
　　2原因分析
　　該缺陷嚴(yán)重了影響機(jī)組的安全運(yùn)行，排除制造因素，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋主要是由于交變熱應(yīng)力引起的金屬疲勞損傷超出了材料的屈服極限而造成的，原因分析如下。
　
　　a.冷機(jī)的鄰機(jī)啟動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子的損壞程度尤其大，在用額定參數(shù)的蒸汽沖車時(shí)，蒸汽會(huì)在金屬表面進(jìn)行劇烈的凝結(jié)放熱，使汽缸和轉(zhuǎn)子外表溫度急劇上升，尤其是轉(zhuǎn)子加熱面積大，升溫更快，轉(zhuǎn)子表面所受的熱壓應(yīng)力就更大，當(dāng)熱壓應(yīng)力超過金屬材料的屈服極限后，就會(huì)在該處產(chǎn)生局部塑性變形。隨著轉(zhuǎn)子的不斷加熱，其承受的熱應(yīng)力減小，但塑性變形不會(huì)隨著轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的減小而自行恢復(fù)，它在周圍彈性區(qū)的影響下會(huì)出現(xiàn)殘余拉伸應(yīng)力，在高溫條件下，該殘余應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小，即金屬松弛現(xiàn)象，尤其在軸徑最大的前汽封和調(diào)節(jié)級(jí)處，這種金屬變形現(xiàn)象更明顯。若鄰機(jī)啟動(dòng)次數(shù)增加，其損壞程度更加嚴(yán)重，這樣轉(zhuǎn)子表面很快就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。
　　b.機(jī)組超速試驗(yàn)使轉(zhuǎn)子裂紋加劇。在做超速試驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)子離心力加大，停下來后產(chǎn)生泊桑效應(yīng)，每多做一次超速試驗(yàn)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子的危害就會(huì)加大一次。
    c.隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，該廠在20世紀(jì)90年代初成為河北省南部電網(wǎng)的主要調(diào)峰廠之一，機(jī)組啟/停次數(shù)增加，造成低周熱疲勞率增加，機(jī)組在多次交變應(yīng)力作用下，引起金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的發(fā)展，從而造成金屬熱疲勞，引發(fā)金屬裂紋。
　　d.機(jī)組啟動(dòng)過程中暖機(jī)時(shí)間短，熱應(yīng)力大。該機(jī)組啟動(dòng)時(shí)存在負(fù)差脹過大的缺陷，為控制差脹，保證機(jī)組的正常順利啟動(dòng)，從沖車到機(jī)組接帶初始負(fù)荷的時(shí)間比較短，蒸汽流量快速增大，加劇金屬溫升，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子尤其是高調(diào)門部位和高壓側(cè)軸封處熱應(yīng)力較大；另外，根據(jù)調(diào)度的預(yù)計(jì)負(fù)荷安排，從并網(wǎng)到帶滿負(fù)荷，暖機(jī)時(shí)間明顯不足，這些都會(huì)加大轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力。
　　e.機(jī)組消缺時(shí)，需將汽缸溫度降到很低，強(qiáng)制冷卻汽輪機(jī)，使汽輪機(jī)帶很少的負(fù)荷，到汽輪機(jī)的最后幾級(jí)，甚至變成了鼓風(fēng)機(jī)，因機(jī)組鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量帶不走，溫度很高，而蒸汽處于低溫、低壓狀態(tài)，使機(jī)組產(chǎn)生很大的熱變形，也會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋。
　　f.在1999年10月大修前，該機(jī)一直存在著機(jī)組振動(dòng)大的缺陷，大修檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第17級(jí)斷裂5片，第19級(jí)斷裂3片，掉葉片會(huì)引起轉(zhuǎn)子運(yùn)行失去平衡，長期運(yùn)行造成金屬疲勞損傷，引發(fā)轉(zhuǎn)子裂紋。
　　g.在機(jī)組找振動(dòng)加平衡塊過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，機(jī)組需要保持真空，仍然需要送汽封，這時(shí)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子影響是最嚴(yán)重的。處于靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)子局部受熱，膨脹不均勻，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形，也會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋
　  h.該廠汽輪機(jī)高壓軸封的五檔泄汽泄到二段抽汽，來加熱��#5高加，而在機(jī)組并網(wǎng)后到投入高加的時(shí)間里，五檔泄汽只能沿著大軸到四檔泄汽，然后通過四檔泄汽泄入��#3低加。在此過程中，五檔泄汽的溫度比四檔泄汽的溫度高得多，使轉(zhuǎn)子高壓軸封處產(chǎn)生熱沖擊，造成熱疲勞，加速轉(zhuǎn)子裂紋的產(chǎn)生。��
　4防止措施
　為了防止轉(zhuǎn)子發(fā)生斷裂，在運(yùn)行上采取了以下措施:
　a.發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有裂紋的機(jī)組一般不參與啟/停式調(diào)峰，以減少啟/停次數(shù)，減少對(duì)機(jī)組的熱沖擊。
　b.機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)，要減慢啟動(dòng)速度，延長啟動(dòng)時(shí)間；沖車前要嚴(yán)格控制汽溫、汽壓參數(shù)，主汽溫度必須比調(diào)節(jié)級(jí)室金屬最高溫度高50～100℃,并且過熱度不低于80℃。在沖車時(shí)，適當(dāng)延長沖車時(shí)間，機(jī)組帶負(fù)荷速度減慢。
　c.在機(jī)組啟動(dòng)之前要按規(guī)定檢查各個(gè)疏水門的狀態(tài)，防止上、下缸溫差大。
　d.汽封疏水管要充分疏水，汽封汽源要與汽缸溫度匹配，汽缸溫度低于150℃時(shí)，使用汽平衡來汽作汽封汽源；汽缸溫度高于150℃時(shí)，使用三段抽汽作汽封汽源。
　e.停機(jī)后要嚴(yán)密監(jiān)視汽缸溫度，防止冷水、冷汽進(jìn)入汽缸。
　f.加強(qiáng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視，保證蒸汽參數(shù)在正常范圍。當(dāng)蒸汽參數(shù)偏離允許范圍時(shí)，要及時(shí)聯(lián)系、調(diào)整，防止超溫、超壓。
　g.機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)不得使用鄰機(jī)汽源啟動(dòng)。
　h.連續(xù)盤車中,若因設(shè)備檢修要求需停止連續(xù)盤車時(shí)必須經(jīng)上級(jí)部門批準(zhǔn)，盡量減少停止連續(xù)盤車的時(shí)間。��
　　5處理方案
　　通過載荷工況分析，原結(jié)構(gòu)復(fù)合應(yīng)力最大的位置為端部彈性凹槽、葉輪過渡角等轉(zhuǎn)子截面存在突變處。經(jīng)上海汽輪機(jī)有限公司對(duì)該轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算后，初步確定2種切削方案，見表1，為轉(zhuǎn)子車削加工提供必要的理論依據(jù)。
　　計(jì)算表明，圓角半徑不變時(shí)，隨著車削深度的增加，最大應(yīng)力也隨之增加；而隨著圓角半徑的增加，最大應(yīng)力隨之減小。經(jīng)比較最終選擇了方案1。經(jīng)上海汽輪機(jī)有限公司車削后提出以下建議：
　　a.減少不必要的啟/停次數(shù)。
　　b.減緩啟動(dòng)速率，降低啟動(dòng)中溫度的變化率。
　　c.盡量采用滑參數(shù)啟動(dòng)方式。
　　d.避免參與啟/停調(diào)峰