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蒸汽品质与汽轮机叶片事故
发布时间:2011/8/27  阅读次数:5460  字体大小: 【】 【】【
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摘要: 介质腐蚀和通道状况的影响是汽轮机叶片动强度设计中主要考虑的因素。列举了几台汽轮机叶片因蒸汽品质不良,而引起叶片表面点腐蚀,导致叶片动强度不足的叶片事故。同时指出叶片表面结垢严重还会使叶片自振频率和振型发生改变,使叶片工作安全性降低。

关键词: 蒸汽品质;汽轮机;叶片;事故;发电厂   随着我国汽轮机设计、加工等技术的发展,汽轮机叶片因共振而引发叶片断裂事故的比例逐渐下降,而其他因素(如蒸汽品质不良),使汽轮机低压过渡区工作的叶片表面盐类沉淀,产生化学方面的点腐蚀,导致汽轮机叶片事故发生的比例逐渐上升。

  蒸汽品质不良,引起汽轮机叶片表面结垢严重的话,不仅会使通道面积减小,叶片工作应力增加,叶片安全性降低;同时还会使叶片的自振频率和振型发生改变,导致叶片振动的复杂化,给叶片工作的安全性带来不利的影响。本文还例举几台因蒸汽品质不良而引发的汽轮机叶片事故。

1 蒸汽品质对汽轮机叶片动强度设计的影响

  根据国内汽轮机叶片设计中叶片振动强度安全性的依据

        




式中,Ab为安全倍率;K1为介质腐蚀系数;K2为表面系数;Kd为尺寸系数;这些是对耐振强度的修正系数。K3为有效应力集中系数;K4为通道系数;K5为流场不均匀系数;Kμ为成组影响系数。它们均与蒸汽品质关系密切,特别是K1介质腐蚀系数的影响更大。σ*a为材料的耐振强度;σ*sb为按振动方向计算的蒸汽弯应力。

1.1  介质腐蚀与汽轮机叶片动强度的关系

  根据国内的有关试验结果表明,在3% NaCl溶液中,150℃时的疲劳强度仅为空气中的43.2%,在15%MgCl2溶液中,150℃时的疲劳强度仅为空气中的41%,200℃时的疲劳强度仅为空气中的32.1%。根据国内的有关试验结果,在干湿反复交替的工作环境中,腐蚀溶液为3%
NaCl,以107循环周次的疲劳强度为1.72MPa和大气中该材料的疲劳极限相比较,则其下降达53%左右,若将3% NaCl溶液加温至80℃,以同样的室温将溶液间歇喷淋为试验条件,则材料的疲劳强度还要恶化,在弯应力16.7MPa时,循环次数只有
0.129 6×107(相当于7.5h左右),材料就会发生疲劳断裂。上述的试验结果明确指出了蒸汽品质不良,对过渡区(蒸汽过热度不超过30℃、动叶前的蒸汽干度X1≥0.96的工作区域)工作的汽轮机叶片,其材料强度的影响很大。根据1980年电力部、机械部制定的《汽轮机调频叶片振动强度准则》中的规定,过热蒸汽区,叶片耐振强度同在空气中一样,取K1=1.0;在湿蒸汽区域,这个区域的介质尚有一定的腐蚀性,取K1=0.8;在过渡区区域,锅炉水质正常的情况下,取过渡区工作的叶片耐振强度约降一半考虑,即取K1=0.5。国外不少国家对过渡区工作的叶片,其介质腐蚀因素对汽轮机叶片的强度影响的考虑比我国更为重视,取原材料强度的20%~40%。
        
1.2  通道状况与汽轮机叶片动强度的关系

  蒸汽在动、静叶片上结成盐垢,使通道面积减小,并导致蒸汽弯应力增加。根据《汽轮机调频叶片振动强度准则》中的规定,对于过热区和过渡区,取K4=1.1;湿蒸汽区,由于叶片表面上不会形成盐垢,取K4=1.0;而对于蒸汽品质不良、结垢严重的叶片,K4可取1.3甚至更大,可见动、静叶片表面结盐垢的程度对汽轮机叶片动强度设计中的影响程度。

2  叶片表面结垢严重对叶片自振频率及振型的影响


2.1  叶片表面结垢严重对叶片自振频率的影响

  对于已投入运行的汽轮机叶片,自振频率已确定,若动叶片表面结垢严重,结垢位置不同,则对于叶片自振频率有一定的影响,特别是对在过热蒸汽区域工作的调频叶片尤显重要。根据等截面叶片的自振频率计算公式

        




式中,f为等截面叶片自振频率;kl值相应于叶片完全确定的频率和振型;Fγl为叶片的质量,质量越大,频率越低;I为叶片截面惯性矩,I越大,刚性越大,频率越高;l为叶片高度,l增高一方面使质量变大,另一方面使刚度变小,所以高度增加,频率会变低;E表示叶片材料的弹性模数;g表示重心加速度。

  从公式中可见叶片自振频率不但与叶片振型有关,还与下列因素有关。

  从上面最简单的等截面叶片自振频率计算公式可以看出:叶片结垢严重,且垢物若为结实的硅垢,虽然结垢物质密度小于基材,但由于结垢相当严重,且结垢位置不同,则对叶片自振频率产生影响。20世纪90年代初期,我们曾对某电厂国产300MW汽轮机低压第3级250mm叶片、第4级323mm叶片上做过切向A0静频的测试试验,由于该机叶片结垢相当严重,特别上述两级叶片在近型根背弧处结垢很厚,达2mm左右,叶片其他部位结垢厚度约1mm左右,在叶片喷砂前后抽测了部分相对应叶片切向A0静频率,其结果是喷砂前的频率比喷砂后的频率高1Hz以上(采用自振法李沙育图形测试,信号发生器频率分辨率为0.5Hz),特别是低压第3级叶片,运行数年后,由于蒸汽品质差,使叶根受锈垢影响,叶片切向A0静频率上升,2台机4根低压转子八级叶片的切向A0静频率,运行多年后,比安装时普遍上升3~4Hz,部分叶片切向A0静频率已达合格范围的上限275Hz。从上述试验的数据可以看出:对于调频叶片级,若叶片一阶自振频率已在合格范围的上限或下限附近,则叶片表面严重结垢,结垢位置不同,则有可能在运行中使叶片落入共振的边缘,对叶片的安全十分不利。

2.2  叶片表面结垢对叶片振型的影响

  叶片表面结垢严重时,对于铆接围带成组调频叶片,有可能使每一组的第一片叶片顶部出汽边伸向前一组与围带间应有的间隙消失,而使整级叶片连接成整圈。某电厂引进型600MW低压第五级铆接回带成组叶片就发生叶片表面严重结垢,叶片组相互连接成整圈,而使叶片的振动特性发生变化。1998年9月,我们对该电厂低压Ⅰ转子低压第五级进行一阶振动静频测试,发现它6~7片铆接围带成组的一阶静频率,二十组每组均是同一个静频值,然后用共振法测试它的整级叶片的系统振动一阶带节径静频率(该级叶片进汽侧无轮缘,属轮鼓结构)值见表1。
表1  共振法测得整级叶片系统振动一阶带节径静频率值




节径数m
0
1
2
3
4
5
6
7
8

静频率fs(Hz)
290
313
350
370
405
424
446
456
464


  它的危险性评价已不是简单的一阶振动频率避开一定范围的概念,而是应按整级系统振动频率来考核评价,叶片振动的复杂化,由于制造厂设计时未考虑这些变化的因素,叶片的安全性考虑不周,这对叶片安全性将是非常不利的。

3  蒸汽品质不良引发汽轮机叶片事故的案例

3.1  案例一

  某电厂2台国产300MW机组驱动给水泵小汽轮机第4压力级叶片事故。1991年4月,6号小汽轮机第4压力级断叶11片,附近6片叶片变形严重,该小汽轮机型号为G6-7(165)-1型,最高转速5
600r/min,第4压力级叶片高度126mm,叶轮平均直径Dcp=997mm,叶根型式为外包小脚倒T型,动叶片数146片,动叶材料2Cr13,叶片断裂位置距型根28~45mm,宏观断面有明显疲劳纹,裂源点在出汽边,静力拉断区在进汽边,约占整个断面的1/6,叶片表面点腐蚀坑相当严重。该小汽轮机是变速汽轮机,对于一阶频率制造厂设计成不调频叶片,根据断叶状况分析认为,该级叶片事故由于蒸汽品质不良,叶片处于过渡区域工作,叶片表面盐类浓缩,造成严重的点腐蚀,使出汽边很薄的叶片易应力集中,加上断叶位置均在叶片抛光接口处,因此使实际的叶片动强度大大降低,小于不调频叶片的界限值。经过一段时间的疲劳累积,造成该级叶片大量断裂,该厂2台汽轮机和多台小汽轮机先后发生第4压力级相同断叶事故。
      
3.2  案例二

  某电厂2台国产300MW汽轮机低压次末级(323mm)叶片事故。1993年12月开始该电厂1、2号汽轮机低压次末级(323mm)叶片先后多次发生断叶20多片,断叶位置距型根66~123mm,宏观断面源点在出汽边,中间有疲劳纹,静力拉断区在叶片进口处,约占整个断面的1/8。叶片表面锈垢非常严重,垢厚达1mm,喷砂后叶片表面进、出汽边内、背弧沿叶高布有严重的腐蚀点(其他级也有,该级最严重),腐蚀点大小不等,最大腐蚀坑直径约为5mm、深1mm,由于叶片出汽边较薄,在叶片型线出汽边离型根1/5~1/2叶片长度处,叶片出汽边被腐蚀成严重的高低不一的锯齿状,最深约1mm,动叶片材料为2Cr13。

  该级叶片处于过渡区工作,断叶垢样送西安热工研究院在扫描电镜中对垢样作X射线能谱分析,叶片表面腐蚀物Na、Mg、Fe、Al、S、Cl等元素占有一定的比例,有些元素比例较大,可以认为机组蒸汽品质确实不良,它们在叶片表面形成高浓度的盐酸液,在含有较高氯离子的环境中,由于氧化膜破坏形成微电池,造成叶片表面严重的点腐蚀,尤其是叶片出汽边离型根1/5~1/2处,点腐蚀特别严重。蒸汽品质不良,动静叶片结垢严重,实测喷嘴喉部面积,由结垢影响通道面积约占原面积的10%,上述叶片表面严重点腐蚀以及由此引起出汽边离型根1/5~1/2叶高位置严重的应力集中,加之结垢影响通道面积,使叶片蒸汽作用力增加等,导致叶片的实际动强度小于调频叶片的界限值,叶片累积疲劳,造成叶片连续断裂20多片。

3.3  案例三

  某电厂1号机国产125MW汽轮机第21级压力级(252mm)断裂叶片事故。1997年12月1号机第21级压力级(右旋)断裂3片,断裂高度距型根167~171mm,断叶断面宏观源点在出汽边,中间有一段疲劳纹,静力拉断区在进汽边,约占整个断面的1/5,检查发现第21级出汽边背弧有一条从顶部到型根宽约5~15mm,区域细密的腐蚀坑带,断叶位置附近区域腐蚀坑带特别宽,腐蚀坑最大直径约1mm、深0.10mm,叶片材料为1Cr13。

  该机组长期调峰,调峰最低负荷达53MW,使原设计带基本负荷的第21级叶片,实则经常处于过渡区工作,叶片出汽边背弧细密的腐蚀坑带说明该机蒸汽品质不良,检查叶片出汽边较薄,在叶高170mm左右位置附近有明显的划痕,因此叶片点腐蚀及断叶位置出汽边应力集中,使叶片动强度小于调频叶片的界限值,疲劳累积,叶片发生断裂(该级叶片断裂事故在国内同类型机组上尚属首次)。

4  结束语

  上述清楚地表明,随着我国汽轮机设计、加工技术的发展,汽轮机叶片因共振而引发叶片断裂事故的比例逐渐下降,而其他因素,如本文例举的几起因蒸汽品质不良所引起的汽轮机叶片断裂事故时有发生。为了保证汽轮机叶片安全工作,加强化学监督尤显重要。电厂应采取切实措施,保证汽轮机蒸汽品质到达优良。如:①加强炉外水处理;②加强炉内水处理;③对于亚临界以上的机组,应长期投入凝结水精处理装置;尽量杜绝和防止凝汽器铜管的泄漏。

5  参考文献

[1]  杨光海.汽轮机叶片安全保护.北京:机械工业出版社,1992.
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