我國(guó)大型汽輪機(jī)葉片運(yùn)行狀況的研究和對(duì)策

1、我國(guó)大型汽輪機(jī)葉片運(yùn)行狀況的研究和對(duì)策我國(guó)大型汽輪機(jī)葉片運(yùn)行狀況的研究和對(duì)策【摘要】【摘要】隨著電站汽輪機(jī)大容量化，葉片的安全可靠性和保持其高效率愈顯得重要。通過(guò)對(duì)10余個(gè)電廠葉片運(yùn)行狀況的調(diào)研及收集到有關(guān)葉片運(yùn)行資料，分析了上海汽輪機(jī)有限公司、哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司、東方汽輪機(jī)廠等國(guó)產(chǎn)以及從美國(guó)、日本、前蘇聯(lián)和歐洲一些國(guó)家引進(jìn)的300MW及以上亞臨界壓力大功率汽輪機(jī)部分葉片故障，認(rèn)為末級(jí)長(zhǎng)葉片型線下部普遍存在出汽邊水沖蝕損傷，外來(lái)硬

2、質(zhì)異物擊傷葉片和固體粒子侵蝕，葉片結(jié)構(gòu)及其它損傷，分析了其損傷機(jī)理，介紹防范措施?！娟P(guān)鍵詞】【關(guān)鍵詞】電廠汽輪機(jī)葉片損傷損傷機(jī)理ResearchResearchononOperationOperationStatusStatusofofLargeLargeSteamSteamTurbineTurbineBladesBladesCountermeasuresCountermeasuresAbstractWiththeincreasinga

3、doptionofhighparameterlargesizesteamturbinesthereliabilityofbladeskeepingitshighefficiencybecomememeimptant.Throughtheinvestigationsurveyofbladesoperationstatusoftenoddsteamturbinesthecollectedrelevantbladeoperationdocum

4、entspartbladefailuresofindigenousimptedsubcriticalpressurelargesize(300MWabove)steamturbinesaresummedupanalyzedincludingsteamturbinesmadebyShanghaiHarbinDongfangsteamturbinewksimptedfromU.S.JapanfmerSovietUnionsomecountr

5、iesinEurope.Itisheldthatthewatererosiondamagesresultedfromimpingesbyfeignhardmatteretchingbysolidparticlesetc.phenomenagenerallyexistingatsteamoutletsideoflowerprofilepartoflaststagelongbladesleadtobladestructuredamageot

6、herdamages.Inthepaperthedamagemechanismsareanalyzedpreventivemeasuresareproposedaswell.Keywdspowerplantsteamturbinereliabilitybladedamagedamagemechanism前言前言葉片是汽輪機(jī)的關(guān)鍵零件，又是最精細(xì)、最重要的零件之一。它在極苛刻的條件下承受高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕和

7、振動(dòng)以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用。其空氣動(dòng)力學(xué)性能、加工幾何形狀、表面粗糙度、安裝間隙及運(yùn)行工況、結(jié)垢等因素均影響汽輪機(jī)的效率、出力；其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)強(qiáng)度及運(yùn)行方式則對(duì)機(jī)組的安全可靠性起決定性的影響。因此，全世界最著名的幾大制造集團(tuán)無(wú)不堅(jiān)持不懈地作出巨大努力，把最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成果應(yīng)用于新型葉片的開(kāi)發(fā)，不斷推出一代比一代性能更優(yōu)越的新葉片，以捍衛(wèi)他們?cè)谄啓C(jī)制造領(lǐng)域的先進(jìn)地位。在1986～1997年間我國(guó)電力工業(yè)得到持續(xù)、高速發(fā)展，電

8、站汽輪機(jī)正在實(shí)現(xiàn)高參數(shù)大容量化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1997年底，包括火電、核電在內(nèi)的汽輪機(jī)裝機(jī)容量已達(dá)到192GW，其中火電250～300MW機(jī)組128臺(tái)，320.0～362.5MW機(jī)組29臺(tái)，500～660MW機(jī)組17臺(tái)；200MW及以下的機(jī)組也有很大發(fā)展，200～210MW機(jī)組188臺(tái)，110～125MW機(jī)組123臺(tái)，100MW機(jī)組141臺(tái)。核電汽輪機(jī)最大容量為900MW。隨著我國(guó)電站汽輪機(jī)大容量化，葉片的安全可靠性和保持其高效率愈顯得重要

9、。對(duì)于300MW及600MW機(jī)組，每級(jí)葉片轉(zhuǎn)換的功率高達(dá)10MW乃至20MW左右，即使葉片發(fā)生輕微的損傷，所引起的汽輪機(jī)和整臺(tái)火電機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性的降低也是不容忽視的。例如，由于結(jié)垢使高壓第1級(jí)噴嘴面積減少10%，機(jī)組的出力會(huì)減少3%，由于外來(lái)硬質(zhì)異物打擊葉片損傷以及固體粒子侵蝕葉片損傷，視其嚴(yán)重程度都可能使級(jí)效率降低1%～3%；如果葉片發(fā)生斷裂，其后果是：輕的引起機(jī)組振動(dòng)、通流部分動(dòng)、靜摩擦，同時(shí)損失效率；嚴(yán)重的會(huì)引起強(qiáng)迫停

10、機(jī)，有時(shí)為更換葉片或修理被損壞的轉(zhuǎn)子、靜子需要幾周到幾個(gè)月時(shí)間；在某些情況下由于葉片損壞沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)或及時(shí)處理，引起事故擴(kuò)大至整臺(tái)機(jī)組或由于末級(jí)葉片斷裂引起機(jī)組不平衡振動(dòng)，可能導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)組毀壞，其經(jīng)濟(jì)損失將以億計(jì)，這樣的例子，國(guó)內(nèi)外并不罕見(jiàn)。由多年積累的經(jīng)驗(yàn)證明，每當(dāng)有一大批新型汽輪機(jī)投入運(yùn)行以后或在電力供需不平衡出現(xiàn)汽輪機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，由于設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修以及運(yùn)行不當(dāng)?shù)确矫娴脑蛞鸬娜~片故障損傷便會(huì)充分暴露出來(lái)。如

11、上所述我國(guó)電站大型汽輪機(jī)裝機(jī)連續(xù)10余年迅速增加，開(kāi)始出現(xiàn)某些地區(qū)的大機(jī)組長(zhǎng)期帶低負(fù)荷運(yùn)行的新情況，因此，很有必要及時(shí)調(diào)查研究、分析、總結(jié)葉片尤其是末級(jí)和調(diào)節(jié)級(jí)葉片發(fā)生的各種損傷及尋找規(guī)律，以期制定防范、改進(jìn)措施，避免發(fā)生大的損失。1大機(jī)組葉片損傷概況大機(jī)組葉片損傷概況通過(guò)對(duì)10余個(gè)電廠葉片運(yùn)行狀況的調(diào)研及收集有關(guān)葉片運(yùn)行資料，分析了上海汽輪機(jī)有限公司、哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司、東方汽輪機(jī)廠（以下簡(jiǎn)稱上汽、哈汽、東汽）等國(guó)產(chǎn)以及從美國(guó)、

12、日本、前蘇聯(lián)和歐洲一些國(guó)家引進(jìn)的300MW以上亞臨界及超臨界壓力大功率汽輪機(jī)部分葉片故障。這些機(jī)組低壓級(jí)葉片在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于種種原因在葉片、葉根、拉筋、圍帶及司太立合金片等部位經(jīng)常發(fā)生故障，末級(jí)葉片的水沖蝕損傷相當(dāng)普遍。這些故障基本上全面反映了我國(guó)大功率汽輪機(jī)葉片的現(xiàn)狀。大機(jī)組葉片損傷概況見(jiàn)表1。表1大機(jī)組葉片損傷各型大機(jī)組臺(tái)數(shù)(1997年)末級(jí)葉片長(zhǎng)度mm末級(jí)葉片損傷情況其它級(jí)葉片損傷情況法國(guó)ALSTHOM公司300MW機(jī)組型號(hào)

13、：T2A300302F104421044運(yùn)行約4300h后發(fā)現(xiàn)低壓第3級(jí)338mm葉片從葉根第1銷釘孔部位多片出現(xiàn)裂紋。次末級(jí)葉片拉筋斷裂。法國(guó)ALSTHOM公司330MW機(jī)組型號(hào)：T2A330302F104421044次末級(jí)為剖分式松拉金交錯(cuò)整圈連接結(jié)構(gòu)。葉片高度550mm，同型機(jī)組多次發(fā)生松拉金斷裂。后來(lái)新機(jī)組改用自由葉片運(yùn)行。GECALSTHOM600MW機(jī)組型號(hào)：T2A6503044611080末級(jí)葉片葉根底部支撐葉片縱向定位的

14、彈簧片約16發(fā)生斷裂，原因?yàn)椴牧蠠崽幚聿划?dāng)引起斷裂，措施為更換彈簧片。低壓次末級(jí)也出現(xiàn)彈簧片斷裂情況。中壓第9級(jí)為自帶圍帶、預(yù)扭安裝344.8mm葉片，5叉3銷釘葉根，全級(jí)64片葉片有53片葉根出現(xiàn)裂紋。原因?yàn)槿~片設(shè)計(jì)問(wèn)題，整圈連接狀態(tài)不佳。低壓前3級(jí)葉片根部斷裂均為此原因。后制造廠將原馬鞍型圍帶改為菱形圍帶。600MW等級(jí)亞臨界機(jī)組GECALSTHOM600MW機(jī)組型號(hào)：T2A6003022F104411044低壓第2級(jí)208.8mm

15、葉片為自帶圍帶預(yù)扭安裝雙叉2銷釘葉根，發(fā)現(xiàn)該級(jí)葉片葉根第1銷孔處斷5片，有53片葉片葉根出現(xiàn)裂紋。原因?yàn)槿~片設(shè)計(jì)連接狀況不佳，改進(jìn)設(shè)計(jì)將原馬鞍型圍帶改為菱形圍帶。前蘇聯(lián)哈爾科夫(XΓT3)320MW機(jī)組型號(hào)：K32023.5441030葉頂預(yù)扭接觸有錯(cuò)位；整圈松拉金幾處斷裂；發(fā)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)組末級(jí)葉片進(jìn)汽邊大范圍水沖蝕，原因是真空過(guò)高。調(diào)節(jié)級(jí)及高壓前2級(jí)葉片及葉頂汽封被外來(lái)異物擊傷；高壓通流部分結(jié)垢1.5mm厚。超臨界機(jī)組ABB600MW機(jī)組

16、型號(hào)：D4Y4542867調(diào)節(jié)級(jí)葉片運(yùn)行約5000h斷裂，原因?yàn)槿~輪—葉片系統(tǒng)振動(dòng)強(qiáng)度不良。ABB賠償2個(gè)高壓轉(zhuǎn)子；經(jīng)查低壓通流部分設(shè)計(jì)老化，使低壓缸效率低，ABB賠償2個(gè)低壓通流部分(包括低壓轉(zhuǎn)子和靜子)2末級(jí)長(zhǎng)葉片損傷末級(jí)長(zhǎng)葉片損傷21葉片型線下部普遍存在出汽邊水沖蝕葉片型線下部普遍存在出汽邊水沖蝕末級(jí)葉片型線下部出汽邊的水沖蝕損傷是200MW、300MW及600MW以上等大型汽輪機(jī)的共同問(wèn)題。以往665、680、700mm葉片的出

17、汽邊都有明顯的水沖蝕，而如今869、900、1000mm葉片以及進(jìn)口機(jī)組的660、851mm等葉片出汽邊也程度不同地出現(xiàn)水沖蝕損傷，末級(jí)葉片出汽邊的水沖蝕損傷已成為影響大機(jī)組安全運(yùn)行的普遍問(wèn)題，應(yīng)給予高度重視。出汽邊水沖蝕所造成的后果不僅使葉柵的氣動(dòng)性能惡化，級(jí)效率降低，更嚴(yán)重的是對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行造成威脅。水沖蝕形成的鋸齒狀毛刺造成應(yīng)力集中以及減小葉型根部截面的面積，還會(huì)影響到葉片的振動(dòng)特性，大大地削弱葉片的強(qiáng)度，這就增加了末級(jí)葉片斷

18、裂的危險(xiǎn)性。211出汽邊水沖蝕機(jī)理汽輪機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，末幾級(jí)的工況變化最大。隨著機(jī)組功率的增大，低壓級(jí)組子午流道擴(kuò)張角增大，葉高增加，當(dāng)其相對(duì)設(shè)計(jì)工況的容積流量急劇減小時(shí)，會(huì)使流場(chǎng)參數(shù)發(fā)生很大變化。末級(jí)長(zhǎng)葉片在小容積流量、真空工況運(yùn)行，葉片底部會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)反動(dòng)度，結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)不良的動(dòng)葉片下半部造成大范圍的回流區(qū)。負(fù)荷越低回流區(qū)越大，在起動(dòng)和并網(wǎng)初始，回流范圍甚至擴(kuò)大到整個(gè)排汽缸。大功率凝汽式汽輪機(jī)的末級(jí)排汽濕度總是比較大的，末級(jí)動(dòng)葉后

19、汽流中攜帶有大量的水滴，回流的蒸汽運(yùn)移著水滴沖擊在高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片下半部的出汽邊。對(duì)某些設(shè)計(jì)過(guò)時(shí)的葉片，在低負(fù)荷或高背壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大范圍的回流，甚至達(dá)到葉高的23以上，對(duì)于這類葉片，出汽邊的水沖蝕就變得非常嚴(yán)重。另外，當(dāng)排汽缸噴水裝置設(shè)計(jì)、安裝不當(dāng)或噴水過(guò)量時(shí)，會(huì)加重出汽邊的水沖蝕。212典型出汽邊水沖蝕(1)吳涇電廠11、12號(hào)機(jī)為上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)制造的亞臨界、中間再熱、雙缸雙排汽、單軸凝汽式300MW汽輪機(jī)，末級(jí)葉片

20、高度869mm。2臺(tái)機(jī)組分別于1991年和1992年底并網(wǎng)發(fā)電。投運(yùn)后不久即開(kāi)始每晚6～8h低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行，表現(xiàn)出良好的調(diào)峰性能。但第1次大修時(shí)就發(fā)現(xiàn)末級(jí)葉片根部出汽邊水沖蝕嚴(yán)重，1995年上半年對(duì)12號(hào)機(jī)進(jìn)行了首次大修，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末2級(jí)（尤其末級(jí)）葉片的出汽邊背弧側(cè)靠葉根處水沖蝕痕跡明顯，平均水沖蝕高度約為100～200mm。分析認(rèn)為根部設(shè)計(jì)反動(dòng)度較小，在小容積流量下運(yùn)行，根部反動(dòng)度出現(xiàn)負(fù)值，產(chǎn)生回流沖蝕所致。2臺(tái)機(jī)組大修中檢查，