轴流送风机叶片断裂事故分析及对策

轴流送风机叶片断裂事故分析及对策

范洪涛

华电能源股份有限公司佳木斯热电厂黑龙江佳木斯154000

摘要：本文通过对一起轴流送风机叶片断裂损坏事故的分析，认为风机叶片铸造类缺陷及风机选型裕量偏大是导致该事故发生的主要原因。针对该起事故原因实施技改后，彻底改变了该轴流送风机的运行工况，保证了风机的安全可靠运行。

关键词：轴流风机；叶片断裂；铸造缺陷；可靠性

引言

电站锅炉送风机是火电厂的主要辅机，用来保证火电厂锅炉燃料燃烧所需要的空气量。在正压通风方式的锅炉烟风系统中，可用以克服全部烟风道系统通风阻力，它的安全可靠性直接关系到电厂的安全经济运行。不少锅炉风机都发生过动叶片断裂故障，其原因主要为材质缺陷及高周疲劳断裂，这是因为腐蚀损伤失效案例较为少见。

1送风机叶片断裂事故

1.1送风机叶片断裂事故过程

某超超临界锅炉配置的2台轴流送风机为ANN-3120/1600N型动叶可调轴流风机，送风机本体主要由转子部分、定子部分、轴承箱、液压调节系统、自动调节装置、联轴器等组成。风机设置1级叶轮，配置26片可调动叶片，直径3120mm，可调范围15°～55°，不锈钢防磨板通过螺钉固定在铸铝合金叶片进气侧两边，以提高叶片防磨效果。风机事故前机组负荷580MW，协调正常投入，锅炉氧量自动投入，A/B送风机动叶调节开度分别为32％和31％，电流为58A和55A，炉膛前墙上、中层，后墙中、下层4台制粉系统运行。A送风机轴承水平/垂直振动突升至20mm/s，电流突升至67.2A，随后降至48.5A稳定；2台送风机出口风压分别由1.3kPa和1.2kPa快速降至0kPa，锅炉大风箱压力由0.3kPa快速降至-1.07kPa，炉膛负压快速降至-1070Pa，锅炉燃烧状况恶化，各运行磨煤机火焰监视强度信号减弱，炉膛火焰监视开关量信号消失，全炉膛火焰丧失，锅炉MFT保护动作。

1.2风机运行工况

风机在低负荷运行时动叶调节开度只有20%（已采取逻辑限制，否则开度会更小），已进入不稳定区运行，在该工况运行对风机会造成一定损坏[1]。因此推断，这次送风机叶片断裂事故跟风机低负荷运行工况不稳定有一定关系。

1.3送风机叶片断裂事故原因

1.3.1运行工况分析

事发前，风机各运行参数无异常报警，可排除运行操作导致的事故。机组负荷769.7MW工况时，A送风机动叶调节开度46.3%、电流73.4A、出口风压2.069kPa、轴承水平1.140mm/s、垂直振动1.007mm/s，B送风机动叶调节开度46.2%、电流73.7A、出口风压2.077kPa、轴承水平1.528mm/s、垂直振动0.008mm/s；负荷993.9MW工况时，A送风机动叶调节开度56.2%、电流92.0A、出口风压2.794kPa、轴承水平2.024mm/s、垂直振动1.316mm/s，B送风机动叶调节开度56.0%、电流91.9A、出口风压2.864kPa、轴承水平1.595mm/s、垂直向轴承振动0.003mm/s。查阅送风机运行特性曲线，588.6MW负荷工况时，风机实际运行工况点与风机理论失速曲线点较远，风机在安全区域内工作。

1.3.2风机检查及事故原因推断

（1）外观检查

检查风机轴承箱基础完好，无松动现象；风机油站油压、油温、油位等参数均未见异常；风机入口风道滤网无堵塞，滤网表面无损伤；风机出口挡板门连接完好，动作到位（联锁已处于全关位置）；动叶调节机构连接完好，控制装置基础完好，且处于全关位。

（2）内部检查

风机叶片断裂，风道内叶片碎块、固定螺栓断裂较多，且机壳被击伤、发生变形；送风机轴承箱轮毂侧地脚螺栓断裂，且接触台板损伤；风机出、入口风道内发现叶片碎块和叶片固定螺栓。

1.4送风机叶片断裂事故情况

根据系统内检查情况未发现异物进入，可排除异物进入打伤叶片的可能，结合运行参数变化，风机调节机构运行中无卡涩，调节油压正常，可排除调节装置异常、叶片根部承受应力过大造成的叶片损坏。风机轴承振动未发现有突变或逐渐增大的情况，轴承振动数值在叶片断裂瞬间突变，经分析可以排除风机因喘振、失速等异常运行工况或叶根固定螺丝脱落，导致叶片受到较大的动应力而造成的叶片断裂失效事故[2]。事故过程应为：某一片或几片叶片损坏导致风机动平衡被打破，其余叶片被打断瞬间轴承振动达最大值，风机出力丧失，系统返风将部分碎叶片和螺栓吹送至入口风道。

1.5叶片断裂失效综合分析

通过拉伸、硬度和冲击试验，样品硬度和抗拉强度符合国标GB/T1173-2013中对铸铝合金材质的强度要求，抗拉伸及冲击试验中，试件伸长率和冲击吸收功偏低，伸长率略低于国标对该中材质的要求，导致叶片材料塑性和韧性相对下降，但不足以导致该材料失效，因此可以忽略不计。其中一片断裂叶片沿叶根截面断裂，断面有2处局部碰磨痕迹，颗粒较粗糙，颜色呈现灰暗无光泽特征，局部断面密集气孔类铸造缺陷特征明显，断面分布有红黄色的砂粒类物质，此缺陷大大降低叶片的机械性能和抗断裂强度，是导致叶片断裂的主要原因[3]。经综合分析认为：A送风机动叶片部分位置存在较大面积的铸造类缺陷是造成叶片断裂的主要原因，风机运行的交变应力使缺陷叶片周围产生应力集中，交变应力长期作用下最终导致材料疲劳失效，叶片瞬间断裂导致其余叶片被打断，整套叶片全部报废。2台送风机累计运行小时数均为3.6万h左右，扩大检查发现其它3台同型号的送风机动调叶片也普遍存在不同程度裂纹，说明该批次风机叶片已经达到甚至超过其安全使用寿命，但其设计使用寿命为5万h，进而说明叶片在加工制造过程中存在一定的先天性缺陷，但A送风机叶片首先断裂，与叶片本身存在的先天性缺陷的大小和分布情况有关，并且与风机的实际运行工况也有很大关系。

2轴流送风机叶片断裂处理对策

送风机叶片断裂损坏的主要原因是叶片加工制造过程中存在的铸造类缺陷，加上低负荷时风机运行工况不稳定，叶片长期在交变应力作用下产生疲劳裂源，并不断扩展，直至个别叶片断裂失效，损毁整套叶片。针对这次送风机叶片断裂事故原因，对风机转子及叶片进行整体更换，更换为新的高效锻造叶片，既能保证风机运行的安全性，又可提高风机运行效率[4]。风机叶片换型后，额定负荷风机效率84%，75%负荷风机效率80%，50%负荷风机效率65%，平均风机效率可以提升15%；同风机运行工况下较叶片换型前，动叶开度整体增加5%~8%，改造后风机在额定工况下的压力裕度、流量裕度均能满足运行要求。

结语

送风机叶片损坏事故发生后，对风机转子及叶片进行了整体更换，叶片更换为新设计的动叶片，材质为高强锻铝，叶片外表仅作防磨喷涂，不设置防磨板。在安装前对叶片进行了全面的金属检测，并将所有风机叶片列入定期专项检查计划，定期检查，防患于未然；根据风机运行情况，制定叶片检查方案，使用不同的探伤手段对叶片组织情况进行监控，避免个别叶片断裂造成整套风机叶片损坏的恶性事故再次发生。

参考文献

[1]何中吉,李向阳,荆志坚,计献普,田宏建.某一次风机叶片断裂的原因分析[J].河南电力技术,2018(01):50-52.

[2]范志东,张志博,马翼超,牛坤,郭卫铨.送风机用新型锻铝叶片断裂失效分析[J].西安工业大学学报,2017,37(10):760-766.

[3]赵世伟,许飞,王川川.超超临界锅炉送风机叶片断裂原因分析与处理[J].内蒙古电力技术,2016,34(05):26-29+39.

[4]张涛,陈志军,王文豪,沈新伟.某超临界电站锅炉送风机叶片的断裂原因分析[J].理化检验(物理分册),2016,52(07):479-483.