汽轮机末级叶片断裂的调查分析和运行建议

汽轮机末级叶片断裂的调查分析和运行建议

夏敏

（中国水利水电第八工程局有限公司浙江杭州41000）

摘要：亚齐火电项目的2#汽轮发电机组，总承包方在质保期结束后按照合同要求完成了一次检查性大修，然后交给业主方。其运行人员在2016年9月20日运行中发现锅炉水质钠离子浓度、电导度、PH值急剧增大，判断为凝汽器钛管破损，海水进入凝结水系统所致，停机检查发现发电机侧凝汽器钛管有23根损坏漏水，维修人员进行堵管处理后未做深入检查就安排启机，但是随后多次冲转因振动大未能成功，停机再次进入凝汽器汽室检查，发现低压转子第22级末级叶片（发电机侧）多片断裂。

关键词：钠离子浓度；泄漏；叶片断裂；低频运行

一、概述

亚齐火电项目的2#汽轮发电机组，质保期结束，总承包方按照合同要求进行了一次检查性大修，然后交给业主方。2016年9月20日凌晨，机组负荷85MW，主汽压力7.4MPa,主汽温度525℃，5：00时刻，发现汽轮机振动变大（2X振动157.1um，5X振动达到188.7um），10:00左右，锅炉水的水质化验出现了急剧变化：钠离子浓度(1340ppb),导电率(4410us/cm)，pH(4.36)，运行人员立即采取炉水加药对水质进行调整，但水质状况无法改变，此情况下又采取降负荷方式，在20日17:05降负荷到60MW，但水质等问题一直未能解决，直到22日08:28采取停机检查处理。

由于锅炉水质钠离子浓度、电导度、PH值是在运行中急剧增大，运行人员判断是凝汽器钛管破损，海水进入凝结水系统所致，于是停机后对凝汽器钛管进行了检查，发现发电机侧凝汽器钛管有23根损坏漏水，维修人员简单进行堵管处理后未继续做深入检查就安排启机，但是汽轮机在随后多次冲转过程中因振动大未能成功。此时，运行维护人员意识到问题的严重性，于是安排停机，再次进入凝汽器汽室进行检查，发现低压转子第22级末级叶片（发电机侧）多片断裂。

二、末级叶片断裂的调查

对此事故，总承包方十分重视，立即组织专业团队到场，本着对客户负责的态度和实事求是的原则，开始进行事故原因调查。

调查人员首先对现场和叶片损坏情况进行检查，然后调取了DCS、DEH运行历史数据。在吊出转子后，发电机侧末级叶片中有106片有不同程度的损坏，其中有9片断裂，分布在第30#、35#、36#，95~100#等位置，未断裂的叶片均有不同程度的机械性撞击、刮痕。

汽轮机末级叶片全长（含围带）580mm,#95叶片断裂为脆性裂口，断口位置离叶顶围带里侧约10cm。其它断口为韧性断口，其中#36断口位置离叶顶围带里侧约10cm，另外的断口位置离叶顶围带里侧1cm至5cm不等。

机组的运行历史数据的调取方面，为了确保分析的准确性和可靠性，DCS调取从2015年12月16日到2016年9月25日期间机组运行的DCS历史曲线、数据。但在调取DEH历史数据时发现，2016年5月8日至2016年10月5日之间的DEH数据缺失，无法查到相应时段所有DEH／TSI各项历史曲线和数据，特别是发生叶片断裂事故前后时间段内的历史数据和曲线。

三、末级叶片断裂的原因分析

由于DEH记录数据的缺失，调查人员根据现场检查情况和所收集资料，对造成事故可能发生的原因进行了全全面分析。

1、汽水品质因素

汽水品质恶化，会引起叶片及通流部分积盐、结垢以及金属晶格、晶间的破坏，造成金属强度降低和转子动平衡破坏，是造成叶片损坏的一个因素。

根据调取自机组大修移交后的运行监测数据，汽水品质符合要求，从现场看，叶片表面上也没有积盐和结垢，证实了叶片断裂跟汽水品质没有关系。

2、低压缸积水引起叶片水击的因素

疏水不畅，导致缸内积水，对叶片产生水击，也是造成叶片损坏的一个因素。调查人员现场对7段抽气的疏水阀状态进行检查，阀位在手动开状态，紧急疏水阀关闭，操作试验，动作正常。汽机本体系统其它疏水管路，检查确认整个疏水系统通畅。

3、水蚀因素

水蚀通常是可能导致叶片断裂损坏的一个因素，严重水蚀将导致叶片强度降低、应力集中，进而导致叶片损坏，从现场叶片实际情况看，表面有少许浮锈，水蚀虽然客观存在，但十分轻微。

4、电网波动因素

电网波动，引起机组负荷、转速剧烈变化，负荷剧变主要指包括外网频率、电压波动等原因导致的机组在短时间内频繁在高低负荷间剧烈波动，由此产生对汽机末级叶片的应力影响。

以2016年5月25日17：41发生电网故障为例，机组负荷在1秒内自6.3MW一下升至39MW，负荷变动率达到约33MW／s，而厂家允许负荷变化率最高是5MW／min（相当于0.083MW／s），剧烈变化持续达11分钟。

机组负荷的剧烈变动，除对发电机组带来影响外，同样对汽轮机低压转子，尤其是末级叶片的影响尤为突出，主要是因温度随着负荷急剧变化产生的温差应力，易造成末级叶片的疲劳损伤。

其次，电网故障或剧烈波动，会引起机组低频运行。机组长期低频运行危害极大，尤其是接近末级叶片共振转速时运行，极易造成叶片共振、疲劳损坏，当多种因素汇在一起，有造成叶片断裂、损坏的可能。

5、低负荷运行影响因素

通过调取DCS记录数据显示，机组低负荷运行的状态频繁存在，其中2015年1月1日自启机到1月8日停机，整个过程连续8天左右，均在低于30%负荷运行。

长时间低负荷运行对机组有害，它将增加汽轮机末1、2级叶片工作区域的相对湿度，易产生和加剧水蚀，加速叶片损坏，同时影响叶片的强度。

6、振动影响

机组振动过大，尤其是超过厂家给出的报警值上长期运行，将对整个机组带来不良影响，有可能造成对叶片的损坏。根据调取的2016年5月8日以前的DEH机组组振动历史数据，可以查询到发电机励磁端的#5轴振长期有超报警值记录。

7、叶片强度和材质因素

通过查验厂家提供的汽轮机叶片的加工、热处理资料，完全满足设计要求。同时，在已断叶片上进行现场取样，做叶片材料的化学分析检验，结果显示与所设计的材料相符。

四、事故分析结论

通过对上述可能导致汽轮机末级叶片断裂的诱因分析，完全可以排除的因素有：汽轮机叶片本身的质量问题、汽水品质不佳、低压缸积水引起叶片水击因素。综合分析，认为此次末级叶片断裂损坏事故，是由于某个叶片在多种因素（包括汽蚀、低频、振动等）相对长期的综合作用下，产生了疲劳损坏（微裂纹）的情况，进而发展到叶片断裂。

此外，本次末级叶片同时发生大范围断裂和损坏现象，完全是偶然事件和人为因素。根据运行记录，2016年9月22日初始事故停机后，运行人员没有对机组进行彻底检查，原因未查明的情况下再次启动，针对再次启动中的机组振动偏大、盘车电流异常情况未立即进行停机检查，而是在约13小时内强行进行了9次冲转，导致已损坏的叶片残块等对末级其它叶片造成二次损害。

五、运行建议

根据本次事故的调查和分析结论，就汽轮发电机组的安全运行有如下建议：

运行人员须严格执行电厂的运行制度和设备厂家的运行操作手册，对于运行手册中明确禁止启动操作的设备，一定要严格执行程序，只有在达到启动条件时才能够按程序启动操作。

设备发生不明原因的故障或问题后，必须及时、严格的进行专业检查，在查明故障原因并排除后才能投入运行。坚决杜绝在故障原因不清或没有消除故障的前提下，强行将设备带病启动运行。

汽轮机本体疏水管路要经常进行检查，确保本体疏水系统畅通。

DEH、DCS服务器是电厂运行的大脑，坚决不能脱离运行，否则在故障和事故发生后，不能对历史数据进行查询，不能为故障、事故分析提供必要的依据。

汽轮发电机组避免在低压力、温度、低负荷等参数下运行，参数降低后除在低压缸末1、2级叶片处可能产生水蚀外，还有可能引起蒸汽通流量的增加而增加末级叶片的推力和扭力矩，长时间运行，可能导致叶片过早损坏。