火力发电厂汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施探讨.pdf

2013.15科技论坛 104 2011 年 11 月 第 11 期 电子测试 ELECTRONIC TEST Nov.2011 No.11 0 引言 作为火力发电厂中的一种大型设备， 汽轮机的功能在电力行 业已经占据了不可替代的重要位置。 而作为旋转机械的核心部件 的转子系统， 在电力、 能源、 交通以及国防等领域中发挥着无可替 代的作用。 转子系统由于材料固有的内部缺陷， 在运行中由于运 行时间过长而导致的过度疲劳会引起裂纹的产生。 如果发现不及 时， 很可能造成非常严重的后果。 随着现代经济技术的快速发展， 发电机组不断地向高速、 平稳运行等方向发展。 所以， 在火力发电 厂中， 对汽轮机组转子裂纹原因的分析及其相应的安全措施对于 保障机组安全运行起着十分关键的作用。 1 裂纹产生的原因分析 汽轮机转子产生的裂纹严重了影响机组的安全运行。 在排除 制造因素的情况下， 交变热应力引起的金属疲劳损伤超出了材料 的屈服极限就会导致转子出现裂纹， 下面对该缺陷产生的原因进 行探讨。 1.1 热应力与热变形 在汽轮机机组找振动加平衡块过程中， 对汽轮机转子影响是 最严重的情况就是， 在机组转子处于静止状态下， 机组仍然需要 送汽封从而保持其真空状态。 处于静止状态的转子产生裂纹是由 于其局部受热， 导致发生不均匀膨胀， 从而产生较大的热应力和 热变形。 1.1.1 热应力对转子的影响 由于转子各部分温度不均匀， 各部分材料之间膨胀或收缩互 相限制而引起的热应力主要发生在高压转子的前几级和中压转 子的前几级。 由于温度反复变化， 使材料受到的拉 - 压应力作用 也会发生反复变化， 并且交变应力的大小与温差的大小成正比即 随着温差变大， 交变应力也会变大。 材料会产生疲劳裂纹， 主要就 是因为经过多次交变应力的作用， 而且温差越大， 产生疲劳裂纹 的时间就越短。 经过具体的计算可以得出， 如果蒸汽的温度与转 子的温度之差达到了 150℃， 转子很快就会产生疲劳裂纹， 即使 是平滑的转子表面， 它的热应力值也将达到材料的屈服极限。 由 此可以看出， 只有限制了蒸汽与转子的温差， 才能限制热应力。 除此之外， 构成转子的材料具有相当大的厚度， 要满足热能 在各部分材料之间的进行传导是需要相当长的时间的。 1.1.2 热变形及蠕变的影响 使转子产生裂纹的另外一个应该注意的问题就是在汽轮机 启动、 停机或气缸疏水不畅时可能出现的热变形。 将由热变形引 起的发生弯曲的转子投入运行是很危险的。 因此， 必须严格检测 并限制转子的弯曲度。 高、 中压转子前几级的另一个应该注意的 问题就是蠕变现象。 1.2 机组启动、 停止的操作原因 1.2.1 启动以前， 汽封气管疏水门没有被打开或打开的宽度 不够大 在机组启动之前， 当启汽封气管疏水门没有被打开或没有 完全被打开的情况下， 进行疏水暖管的时间不充足， 导致汽封管 内的存水无法被排走， 而管内存水温度一般远低于当时的转子温 度， 当所存疏水排放至前汽封时， 就会突然冷却转子的前汽封， 相 应的， 较大的热应力就会随之产生。 火力发电厂汽轮机转子裂纹原因分析及运行安全措施探讨 李振宇 （内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，010206） 摘要 由于火力发电厂汽轮机的工作条件非常复杂， 所以， 汽轮机转子产生的故障的种类比较多。 而且汽轮机中汽轮机转子的 工作状态也是比较复杂的， 由于疲劳、 碰撞和摩擦等因素会使转子中产生较多裂纹。 裂纹产生的主要原因是由于材料本身的缺 陷、 加工过程中的误差、 安装时操作人员的失误、 意外冲击或疲劳破损等等。 关键词 汽轮机 ； 转子 ； 裂纹 ； 措施 Analysis and Discussion on the running security crack of thermal power plant steam turbine rotor Li Zhenyu （Inner Mongolia Togtoh Datang International Power Generation Co.Ltd.,010206） Abstract The steam turbine power plant working conditions are very complex,so,kinds of fault of steam turbine rotor produces more.And the steam turbine rotor of steam turbine work condition is relatively complex,due to fatigue,collision and friction factors will result in more crack in the rotor.The main reason of the cracks is due to material defects,processing error,installation operator error,accidental impact or fatigue damage etc.The rotor is one of the most important parts of steam turbine unit,very much not only produce crack,and the consequences are very serious. Keywords steam turbine;rotor;crack;measures 2013.15科技论坛 2011 年 11 月 第 11 期 电子测试 ELECTRONIC TEST Nov.2011 No.11 105 1.2.2 汽封送气温度与转子温度不匹配 应先用高温蒸汽送汽封之后抽真空， 再将热态启动， 可使用 三段抽汽作为所用蒸汽， 也可度用邻机一段抽汽根据汽缸温， 但是， 如果完全依靠运行人员经验， 而汽缸处于什么温度下没有 弄清楚， 用什么汽源进行汽封， 运行人员对汽封汽源认识上的偏 差就极有可能出现， 从而不能使汽封送汽温度与转子温度达到匹 配的标准， 也就是当转子温度高于汽源温度时， 就会对前汽封造 成突然冷却。 1.2.3 邻机启动对转子寿命的影响 当机组找动平衡时， 或结束机组的大、 小修整后， 多采用邻机 汽源启动， 一般由于经常从节油角度考虑或由于炉侧工作尚未结 束。 采用邻机启动时， 在初始阶段新蒸汽散发大量的热能， 剧烈的 凝结发热作用于金属， 导致转子外表面和汽缸温度具有很快的上 升速度， 从而较大的热冲击就会造成转子热疲劳， 调节级处和高 压侧轴封处仍是热应力最大的部位， 疲劳裂纹也会在转子表面出 现。 1.2.4 操作票流于形式 由于原操作票上缺少时间记录栏， 对汽封送汽时间等监控考 核的重要步骤无法进行， 没有使是操作票的真正作用得到发挥， 即操作人员不是运行一步就记录一次， 而是当工作完全结束之后 进行补充， 这样的话操作过程中出现的失误很难被发现， 更不利 于考核。 1.2.5 机组由于在启动时进行暖机的时间太短造成热应力 偏大 启动时， 该机组存在另一个缺陷， 那就是过大的差胀， 因此， 为了控制差胀， 使机组的正常启动得到保证， 所以从冲车到机组 接带初始负荷的时间比较短， 蒸汽流量增大速度很快， 使金属温 度剧烈升高， 使汽轮机转子尤其是高调门部位和高压侧轴封处具 有较大的热应力。 1.2.6 机组调峰运行 机组在进行调峰期时， 由于个别情况， 机组进行启动的时间 不充足， 运行工作人员有时会为了完成任务一样而盲目缩短暖机 和暖管道时间， 缺乏必要的意识对主设备进行保护的。 1.3 机组超速试验使转子裂纹加剧 在做超速试验过程中， 转子产生越来越大的离心力， 转子在 停下来以后会产生泊桑效应， 而且随着超速试验次数的增多， 机 组转子的损害就进一步加大。 1.4 机组温度高 在机组削缺时， 对汽轮机进行强制冷却， 需要将汽缸温度降 到很低， 使汽轮机带很少负荷， 甚至到汽轮机变成鼓风机。 因机组 鼓风损失产生的热量不能被排出， 使机组具有温度很高， 又由于 处于低温、 低压状态的蒸汽的冷却作用， 导致机组由于高温低温 相互作用产生严重的热变形， 从而使转子产生裂纹。 2 碰磨故障对转子裂纹的影响 下面从碰撞、 摩擦两个方面， 介绍碰磨对故障转子裂纹的产 生的主要影响。 1 碰撞对转子产生裂纹的影响。 转子的振动形态可能会被 碰撞改变， 它造成了一个对裂纹转子产生很大影响的脉冲， 而转 子的固有频率也可以被这个脉冲激发出来。 也就是说， 由于旋转 产生的强迫振动和冲击产生的自由振动叠加， 使转子表现出实际 的振动。 频谱中的高频分量出现增加现象是由于振动引起的， 这 个状况就决定于转子旋转产生的强迫振动和冲击产生的自由振 动叠加。 同时， 碰磨点也会在一定程度上限制转子的运动， 导致振 动发生畸变波形。 另外， 会有很大的切向力和法向力产生于转子 之上。 这些现象都会促进转子裂纹的产生。 2 摩擦对转子产生裂纹的影响。 汽轮机组的零部件发生磨 损的原因是定子和静子之间的相互摩擦， 这种磨损会机组的正常 运行受到影响， 从而降低工作效率。 由于持续摩擦而产生的局部 过热会使转子出现热弯曲现象。 同时， 摩擦力还会造成的附加扭 矩， 使转子发生扭矩振动。 这也很容易导致转子产生裂纹。 3 防止转子产生裂纹的措施 为了防止转子产生裂纹， 在操作过程中采取了以下措施（1） 当机组转子被发现有裂纹是一般该机组不参与启动调峰， 通过减 少启动、 停止次数从而减少调峰对机组产生的热冲击 ； （2） 在启 动时， 要降低机组的启动速度， 使其启动时间延长。 在冲车前， 对 汽温、 汽压参数必须进行严格控制， 主汽温度必须比调节级室金 属最高温度高出 100℃左右。 在冲车时， 使冲车时间适当延长， 使 机组带负荷运行时降低其速度。（3） 在机组启动之前， 要按照相关 规定对各个疏水门的状态进行检查。 从而做到减小防止上、 下缸 的温差 ； （4） 加强监视运行参数， 将蒸汽参数保证在正常范围内。 当发生蒸汽参数偏离正常范围的状况时， 要及时进行调整， 防止 超温现象发生 ； （5） 机组冷态启动时， 不得使用邻机汽源 ； （6） 连 续盘车时， 如果遇到设备检修， 必须经上级部门批准才能停止连 续盘车， 并且要尽量减少连续盘车的停止时间。 发现转子有裂纹的机组， 在启动、 停止过程中应将启动速度 放慢， 从而使启动时间， 尽量减小热应力， 以保证机组的安全。 同 时， 还要将机组的寿命管理体系进行建立健全， 加强设备管理的 可靠性， 这是最根本的保证设备安全的要求。 4 裂纹处理方法 通过载荷工况分析， 结构端部的弹性凹槽和叶轮过渡角等转 子截面存在突变的部位是原结构中复合应力最大的位置。 由技术 操作人员和研究人员对转子进行强度的计算， 研究出两种进行裂 纹处理的切削方案， 同时， 转子切削加工也有了必要的理论依据。 计算表明， 在圆角得半径没有变化的情况下， 最大应力与车削深 度成正比 ； 而随着圆角半径的增加而减小。 下面对减少转子裂纹的控制提出提出以下几点建议 （1） 使 机组尽量避免参与启、 停调峰或者尽量减少不必要的启动、 停止 次数；（2） 启动方式尽量采用滑参数方式；（3） 尽量减慢启动速度， 使启动中温度的变化率尽量降低。 5 结语 作为汽轮机组最重要的部件之一， 转子总是处于比较复杂的 工作状态之中， 在高温、 高压、 高转速的情况下， 既承担着巨大的 热应力， 又承担着巨大的离心应力以及进行功率传递时所产生的 扭转应力， 同时还可能产生热变形等现象。 因此， 机械操作人员应 该加大对汽轮机转子裂纹的关注程度， 对其原因进行分析， 对其 危害进行详细的研究和严格的控制， 并提出适当的应对措施， 从 而尽量减少汽轮机组转子裂纹产生， 为火力发电厂汽轮机的正常 运行提供保障， 减轻其负担， 从而保证工作能够顺利进行。 参考文献 [1] 侍克献 , 林富生 . 长期运行后汽轮机转子裂纹扩展行为的 研究 [J]. 动力工程学报 ,2012,329723-727. 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