关于某高速汽轮机叶片脱落

关于某高速汽轮机叶片脱落

曹元富

青岛华丰伟业电力科技工程有限公司，山东青岛,266100

摘要：某电厂汽轮机高压缸转子突发振动大并超过跳机值，后经开缸检查第8级叶片脱落。

关键词：叶片脱落 振动大

1引言

某电厂的50MW汽轮发电机组，发电机位于轴系中间，高压缸在前侧转速10000转/分钟；中低压缸在排汽侧，轴向排汽进入空冷岛，发电机永磁励磁转速3000转/分钟。

    汽轮机高压缸在正常顺控启动过程中，振动突然增加至跳机值机组停机，后经过研究分析后多次启动均未成功，后经开缸检查，高压缸第8级叶片装配用最级一支叶片脱落并已经磨损消失，第二支叶片扭转卡在叶根槽和固定槽之间，第一支叶片的碎块部分卡于后边隔板和动叶上。

2论文正文

2.1事件的发生

2020年12月23日17:34机组达到启动条件温态启机，17：:44机组高压缸定速10128r/min时1X振动88.02μm轴振大跳闸。18：:11就地检查轴承声音、汽缸声音无异常，联系热工专业就地检查振动测点探头检查无异常，机组达到启机条件再次启动。18：:17机组高压缸转速4014r/min时1X振动85μm时，手动打闸。19：:04汽机专业对就地轴承声音、气缸声音进行检查确认无异常，机组在升速过程中进行检查，机组达到启动条件后再次启动。19：11机组高压缸转速4088r/min时1X振动85.7μm时，手动打闸。20:55汽机专业对就地轴承声音、气缸声音进行检查无异常，决定增加暖机时间，改变冲转参数进行再次启动。21:12机组高压缸转速3819r/min时1X振动89.1μm机组跳闸。

12月23日第一次启动后跳机曲线（额定汽轮机转速10031转/分钟，第一临界转速4250转/分钟）。

咨询制造厂厂家机组停运12小时释放应力，机组达到启动条件后再次启动。2020年12月24日09：:24启动，09:32机组高压缸转速4010r/min时1X振动86.9μm时，手动打闸。

2020年12月28日制造厂厂家到场，要求在高压缸缸温降到100℃以下时进行机组启动。期间汽机专业对轴封供汽、本体疏水进行全面检查。

2020年12月30日经过六天盘车缸温降至83/78℃后，19：34机组达到启动条件后制造厂厂家要求启机，19：45分高压缸转速4621r/min时 1X振动89μm跳闸。

2020年12月30日21：30分制造厂厂家要求增加暖机时间，机组达到启动条件，21:34冲转至600rpm，2020年12月31日00:47分暖机三小时后汽轮机开始升速。高压缸转速3776r/min时1X振动88μm时，手动打闸.

    TDM的正常投入，并取得振幅、相位等相关重要数据。

2.2事件的检查过程

初期判断方法和方向：

a. 汽轮机进水造成机组的振动。

    检查方法，检查所有汽缸连接的疏水阀开启、关闭是否正常，对所有疏水阀壳进行测温检查，比对温度是否有异常，排除疏水阀堵塞情况的存在。开启疏水阀进行疏水同时，检查疏水集箱水位是否存在满水和水位计不准确的情况，轴封进、回汽管道的疏水进行全面检查确认。

b. 汽轮机膨胀不畅引起的动静摩擦。

    对汽缸周围管道支吊架进行全面的检查，复检支吊架冷、热态膨胀值，检查汽缸膨胀销间隙，检查汽缸轴向位移、绝胀和胀差数据变化情况。

c. 部件脱落或者损坏

    对靠背轮机螺栓进行全面检查，对转子动平衡块进行全面检查，用内窥镜对汽缸内部转子和通流进行全面检查。

d. 盘车听音检查动静摩擦，和冲转后低速进行听音检查摩擦声。

e. 轴承紧力失效和转子弯曲

重要的检查项目如下

a.检查汽轮机周围主蒸汽管道、再热冷段管道、再热热段管道支吊架，均未发现异常。

b. 检查本体疏水，在TCS打开全部本体疏水气动阀，就地检查阀门均已开启；在DCS系统上开关主再热蒸汽管道疏水，就地检查阀门开关动作均正常。计划启动前和启动过程中对高压缸相关的疏水温度进行间断性测量。如果启动过程发现疏水阀体温度不升高，阀门可能出现堵塞现象。两次启机测试过程中，所有疏水能够随着机组暖机过程温度缓慢升高，确认了各个疏水阀的通畅和开关正常，关于疏水不畅可能引起的振动原因基本排除。

c. 3.12月23日，润滑油系统运行参数检查无异常。

d. 轴封系统检查，检查高压缸前后轴封供汽母管疏水情况，打开保温层，测得疏水节流孔板前后温度基本一样，在110℃左右，拆开节流孔板检查无堵塞现象。 检查轴封系统，高压缸前后轴封测进汽管壁温度，前轴封128℃/108℃左右。

e. 会同制造厂厂家对滑销系统和端部汽封进行检查，检查结果：1.台板底部接触检查，测量工具：塞尺：2.前后对销检查，检查方法：推缸法，检查无异常；前侧立销总间隙为0.095mm，后侧立销总间隙为0.24mm;3.前滑销检查0.04mm，检查方法：塞尺，检查无异常；

f. 检查高压缸和减速箱联轴器内部螺栓无松动现象，对转子进行弯曲检查，无异常晃度小于0.02mm.

g. 同制造厂厂家对#1、#2瓦进行解体检查，检查结果：瓦顶间隙检查：使用抬轴法测量1号轴瓦顶部间隙0.35mm，2号轴瓦顶部间隙0.31mm；制造厂现场工代鉴定结果为合格；推力瓦检查：推力间隙为0.19mm，制造厂现场工代鉴定结果为合格；轴瓦及推力瓦接触检查无异常；轴瓦与瓦套紧力检查，检查方法：压铅法；#1瓦检查紧力0.01mm；#2瓦检查紧力0.04mm；高压缸1#、2#轴承连接螺栓无松动现象。

h. 同制造厂厂家对高压缸与齿轮箱联轴器中心检查，检查结果：现场实测数据，表指齿轮箱，张口用塞块测量；结果齿轮箱偏右0.255mm，齿轮箱偏上0.245mm；左右与安装测量值差0.38mm，上下与安装测量值差0.055mm。此数据测量时环境温度18℃，汽缸温度77℃，主蒸汽温度108℃，结果合格。

i. 内窥镜检查，调节级、末级、中间级的动叶和喷嘴进行了检查，未发现异常。（后开缸发现叶片脱落位置正好未处于窥镜检查孔位置）

j. 运行操作方面：12月22日21:29分机组冷态启动，带负荷最高至10MW运行至23日1：39分由于主蒸汽氢电导超制造厂厂家要求按规定停机；23日7:10分温态启动，带负荷最高至11MW运行至13:46分由于盐位低，停机；23日17:30分启机时高压缸轴振高跳机。期间未出现蒸汽参数偏离启动规定数值、人员操作不当、运行中参数大幅波动等现象，前两次启停机组各运行参数均未出现明显的变化。

k. 振动突变：12月23日机组温态启机过程中，在8455r/min时高压转子前后轴承振动有突变现象，其中前轴承X、Y方向轴振由16.9µm，17.4µm，2S后飞升到62µm、86.4µm，机组继续升速至额定，振动3min内升至88µm，保护动作跳闸。

l. 突变后振动能保持稳定,高压转子前后轴承振动突变后振动值能保持稳定状态，而且转子投入盘车后其电流与之前无差异，现场用听针检查，汽缸内无任何异常声响和摩擦音，对汽轮机升速率和开机暖机进行怀疑性分析和试验，进行逐项排除。

m. 前轴承振动突变大于后轴承：高压转子前后轴承振动在8455r/mi突变时前轴承振动突变值明显大于后轴承。

n. 停机惰走时间明显缩短：机组跳闸停机惰走用时26min，正常状态用时45min左右。

o. 降速过临界振动明显增大：机组停机惰走过高压转子临界转速（实测5039r/min）时振动比启机时明显增大，1X、1Y分别达到120.48µm、130.32µm。

p. 故障停机后机组启动无法过临界且与机组受热状态无关：机组振动突变故障停机后，机组先后启动6次，历经冷、温态，均未能正常启动。最高转速都没有超过高压转子临界转速，都表现为因高压转子两个轴承振动大无法过临界而遮断和手动快速遮断停机。

2.3事件的分析

1） 叶片装配结构分析  

机组于2021年1月15日开缸完成。外观检查发现第8级T型叶根叶片组的最后一支插装叶片，已经脱落消失，仅发现少量碎块在后部动、静叶通流中卡住。初步分析叶片脱出过程较长，且一直与静止持环进行摩擦，并在8级径向形成严重的摩痕，并有高温摩擦产生的融化的残渣堆积在径向间隙中。

受力分析：机组启动过程中，高温蒸汽流径经动、静叶作功，叶片首先接触到高温蒸汽，叶片表面对流换热快温度升高快，而转子表面和内部传热较慢，温度升高慢，这样在动叶和转子固定槽内就存在膨胀差值，而产生径向的应力作用在锁紧螺栓的螺纹上。而由于装配时未按照设计要求进行锁紧，叶片膨胀过程中损坏了螺纹在叶片根部的配合螺纹后，脱出向径向移动，并开始动静摩擦，最先脱出的叶顶部分已经完全的摩擦掉。而最终根部锁紧失效叶片完全脱出后，失去重量影响到动平衡后，转子振动突然增大而造成机组停运。

由于叶片、锁紧螺纹、转子三者这间的径向挤压，动叶并开始径向缓慢脱出，而且至最终损坏脱出是一个较长时间的过程，机组在振动的趋势上一直存在振动值偏差的情况，特别是排汽缸温度升高较快时，即三者之间受到的温差膨胀差应力较大时，叶片会加快膨胀，并产生了碰磨造成机组振动偏大。

2） 运行数据分析：   

    2019年9月至2020年12月23日止，汽轮机累计启动次数：95次；

    其中冷态启动：35次 ；温态启动： 39次；热态启动：  20次；极热态启动：1  次；。

    汽轮机相关重要缸温参数与振动数据关联分析中发现的异常，高缸排汽温度在短时间温升较大时间区段与高压侧汽轮机#1轴承，X向相对振动值较大的区间重合。其中统计当中有51次之外的振动10-20μm，而这51次启动过程中振动超过30μm，其中33次振动超过40μm；在33中有14次振动值超过50μm；在过程中温度升温速率变化在17℃/分钟--23℃/分种不等，其中即有冷态启动也有温态启动过程，只要温升率较大的同区段振动普遍有较高值存在，在这个别情况振动值是在X值和Y值同时振动大于50μm，并在转速5000转/分种上下存在转子临界振动特征（高压转子临界转速4250转/分钟）。比较典型的较大值图例示下。

截图01： 2020年10月24日，11：07分钟发生的一次较大值时，高排温度（crh steam temperature)9分半钟温升203℃时，高缸前轴承轴相对振动X值57微米、Y值50微米。

截图02： 2020年11月13日，9：07分钟发生的一次较大值时，高排温度（crh steam temperature)9分半钟温升221℃时，高缸前轴承轴相对振动X值50微米，Y值51微米。

    如下截图03中可以明显的看出：机组于 2019年10月17日，09：35分钟发生的一次较大值时，高排温度（crh steam temperature)9分半钟温升185℃时，高缸前轴承轴相对振动X值41微米、Y值36微米，振动值已明显偏大。

   在查阅机组调试记录过程中，发现在2019年09月24日机组首次冲转起，机组#1轴振报警值为30um,跳闸值为43um，而在2020年04月15日，制造厂德国总部结合现场机组冲转调试情况确定将定值修改为70um报警，88um机组保护跳闸。而在最初的振动报警值和跳机值下，此机组在2019年12月26日机组振动大无法进行正常启动。

此次事件的解决过程警示。机组根据转速的不同，其振动保护定值的确定原则不同。最初机组调试阶段将振动报警和跳机值进行了调整：机组首次冲转起，机组轴振报警值为30um,跳闸值为43um，2020年04月15日，制造厂总部结合现场机组冲转调试情况确定将定值修改为70um报警，88um机组保护跳闸。这一调整使得后续机组运行失去了判断机组振动大小的基准，机组振动大的问题变的隐蔽，对于常规火电机组振动优良标准小于76μm的数值相对较小，而此机组转速10000转/分钟，标准ISO 7919—3中，对于转速在10000rpm的转机机械振动值应在A区范围内小于50μm。

    2021年3月22日机组大修后第一次启动验证后，厂家调试工程师将高压缸轴振保护定值改为原始值，轴振报警值为30um,跳闸值为43um。在标准ISO 7919中，振动值设定在88μm跳机显然也是合理的，但是每种机组的设计、制造差异较大，而且10000转/分钟的汽轮机转子较少，此次事件中调试阶段将振动值从43μm遮断改至88μm并没有找到相关的分析和变更的原由，显然不是根据实际情况进行修改，而是被逼无奈进行了修改，而后期并没有对振动在不同阶段产生不同的振动特征的情况进行更深一步分析。作为同一根转子在机组冷态启动过临界区段的情况下，4000转/分-5000转/分之间数值从20μm至50μm的有大于20μm的变化。

     另一方面高缸排汽温度的温度升高速率大部时间超过了20℃/分种，

200℃/9分钟工况下，排汽温度的升高虽然不等于转子表面温度的升温率，但是末级叶片的升温是在这么一个温度工况下运行的，必然会对叶片的寿命产生一定影响。所以有机组高缸的末级叶片，要加大内窥镜检查的力度，缩短检查时间间隔。此型号汽轮机高排逆止阀开启前，高排通风阀也是状态下，汽轮机挂闸所有汽缸疏水旁路阀打开，高缸侧的气体流动全部通往疏水口，高压侧真空的建立情况也需要运行人员重点关注，寻找高缸冲转前真空参数在高压与低压侧的差异，寻找规律想办法改进机组运行工况参数，优化机组性能和寿命。理论上真空越好，高缸冲转所需的蒸汽量越小，越经经济。且机组冲转时间太短，疏水管道设计管径普遍较细，疏水流的速度也是有限的，高缸内在高排逆止阀前有大量不凝结的空气存在，对机组的工质作功和传热必然会有一定影响。

2.4事件的解决

2021年1月15日，厂家决定高压转子返厂处理。维修后的转子于2021年3月10日返回现场，3月15日安装完成，3月22日冷态启动成功，振动值优良。

3结论

此次事件的发生、分析和最终解决给出的主要警示如下：轴相对振动值作为汽轮机的转子的重要评价参数，其振动的变化上，任何短时间超过10μm的波动都应该引起注意并查找规律性；而当与正常运行数值向上波动超过30μm时，应对所有运行数据进行全面的分析，积极寻找振动发生变化的原因，特别是机组启停过程中临界转速区间数据的变化；在振动的报警值和跳机值的设定上，应充分考虑机组参数与对应的相关标准进行选择比较，查找差异，避免因选择保护值错误而造成机组出现失误事件；对于新型机组的运行参数建议尽量选择相对更加保守的报警值和跳机值。

参考文献

[1]岑黎明,李一兴,许宇健,龙秀峰.高速汽轮机末级叶片和轮缘强度分析及优化[J].汽轮机技术,2018,60(03):169-171.

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