9FA燃气轮机压气机叶片断裂故障及预防处理

第２６卷第３期　２０１３年９月　《燃气轮机技术》　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．３　ＧＡＳ　ＴＵＲＢＩＮＥ　ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ　Ｓｅｐ．，２０１３　９　ＦＡ燃气轮机压气机叶片断裂故障及预防处理　章提，吴寅琛　（江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏　常州　２１３０１１）　摘要：介绍了几起９ＦＡ型燃气轮机压气机叶片断裂事故情况，分析Ｒ０级断裂原因为叶片第２阶振动落入　ｋｎ共振区域，Ｓ１级断裂原因为叶片第７阶振动落入ｚｎ共振区域，与叶片设计、制造和安装因素有关。加强压　气机定期检查可降低事故发生概率，对压气机升级改造可有效避免同类事故发生。　关键词：９ＦＡ燃气轮机；动叶片；静叶片；高周疲劳；共振；压气机升级　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—２８８９（２０１３）０３—００４８—０５　中图分类号：ＴＫ４７８　我国三次捆绑招标引进的２Ｏ多台９ＦＡ型燃气　轮机机组中，压气机先后发生叶片裂纹或断裂故障，　故障机组比例达６０％，有５台机组发生６次重大故　障，占２６％。既有单轴机组也有多轴机组，有两班　制运行为主机组也有连续运行机组。这些故障严重　威胁机组安全运行，给电厂带来巨大损失。　本文以燃气轮机压气机Ｒ０级动叶片及Ｓ１、Ｓ３、　Ｓ５级静叶片断裂故障为例进行分析，同时介绍预防　措施及压气机升级改造方案。　图１严重受损的叶片　ｌ　故障概况　１．１压气机动叶片断裂　１．１．１　Ｐ—ＣＵＴ型Ｒ０级叶片断裂　Ａ电厂２号机组为９ＦＡ单轴联合循环发电机　组，２００７年３月投入商业运行，燃用天然气。　２００８年６月２０　１３，该厂２号机组负荷３５１　ＭＷ时，燃气轮机Ｍａｒｋ　ＶＩ控制系统突发“压气机　排气压力变送器测量值偏差大”、“压气机热悬　挂”、“压气机失压”等报警，机组跳闸。跳闸后　Ｍａｒｋ　ＶＩ中１～４号轴振及１、２号瓦振均显示红色　图２　Ａ电厂Ｒ０级断口形貌　报警，燃气轮机排气温度高报警。就地听音检查，　发现压气机人口处有异音。打开压气机进气室人　孔门，发现压气机ＩＧＶ、Ｒ０级叶片严重受损，Ｒ０级　１．１．２标准型Ｒ０级叶片断裂　Ｂ电厂１号机组为９ＦＡ单轴联合循环发电机　组，２００５年１１月投入商业运行，燃用天然气。　２０１０年１０月，Ｂ电厂１号机组运行中发生燃气　其中一片从根部Ｐ—ＣＵＴ（Ｐ型减应力孔）位置完　全断裂，见图１和图２。　轮机压气机Ｒ０叶片（标准型）断裂，造成相邻的ＩＧＶ　及Ｒ０级后的部分叶片严重撞击损伤，见图３和图４。　收稿日期：２０１２—１０—３１改稿日期：２０１２—１２—１７　作者简介：章裎（１９７０一），男，江苏常州人，高级工程师，从事发电工程技术及检修维护工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｅｔｗａｎｄｅｒｅｒ＠１２６．ｔｏｍ。　５０　燃气轮机技术　第２６卷　态、动态振动特性及离心应力的计算结果表明：Ｒ０　级叶片的动态第２阶振动频率为３０７．２０　Ｈｚ，叶片第　２阶振动落人ｋｎ（低频激振力）共振范围；在叶片发　生裂纹的源区区域离心应力水平较高，裂纹源区位　图９　Ｂ电厂压气机Ｓ１级断口形貌　置与该叶片的离　ｔｋ，应力在该位置处于较大区域相　吻合。　同时，对Ｒ０级Ｐ—ＣＵＴ型叶片进行的离心应力　Ｅ电厂１号机组为９ＦＡ单轴联合循环发电机　组，２００５年６月投入商业运行，燃用天然气。　２０１０年２月，１号机组在基本负荷运行时运行　场和振动特性计算结果表明：Ｒ０级Ｐ—ＣＵＴ型叶片　人员突然听到１号燃气轮机运转层平台一声闷响，　控制室内有明显震感，机组跳闸。１号燃气轮机惰　走时间８７　ｍｉｎ。压气机上缸揭缸后目视检查发现：　压气机ｓ１叶片断裂一片；下缸Ｓ５叶片断裂１片；　Ｒ６叶片断裂１片；下缸Ｓ７叶片断裂１片；Ｒ８叶片　断裂２片；多级压气机叶片碰撞损伤严重；从Ｒ６区　域往后气缸内壁有明显撞击摩擦痕迹。图１０为Ｓ１　断口形貌。　图１０　Ｅ电厂压气机Ｓ１级断口形貌　２　故障分析　上述案例由压气机Ｒ０级叶片断裂既包括Ｐ—　ＣＵＴ型也包括标准型，而静叶片断裂的则有Ｓ１、Ｓ３　和ｓ５级。国内所投产的２０多台同型机组中，先后　出现过压气机叶片裂纹、叶台凸出、叶根松动、叶根　槽磨损及填隙片凸出或脱落等问题。而这几家电厂　中，Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ电厂为单轴机组且经常承担调蜂运行　任务，而ｃ电厂为多轴机组以基本负荷运行为主。　限于篇幅，本节以９ＦＡ机组标准型Ｒ０级动叶　片和ｓ１级静叶片断裂为例进行分析。　２．１　Ｒ０级叶片断裂故障分析　对９ＦＡ燃气轮机压气机Ｒ０级标准型故障叶片　样品的材质及断口进行理化检验与分析，同时对该　Ｒ０级叶片进行了离心应力场计算分析、叶片静频率　测量及叶片的振动特性计算分析。　理化检验与分析结果表明：样品叶片的化学成　分、力学性能和非金属夹杂物级别符合要求，金相组　织状态正常，叶片原材料质量正常；叶片开（断）裂　模式为高周疲劳开（断）裂（振动疲劳断裂）。　采用三维有限元法对Ｒ０级标准型叶片的静　与ＲＯ级标准型叶片存在相似的设计缺陷。　２．２　Ｓ１级叶片断裂故障分析　由图６、图９、图１０　ｓ１级故障叶片的断口形貌　可以看出：断口宏观上呈明显的高周疲劳特征；整个　断裂面由源区、扩展区、瞬断区三部分组成，在瞬断　区存在明显的剪切唇。样品断裂面源区为点源，位　于进气侧边缘的凹坑处；疲劳扩展区大致可分为前　区、中区和后区，前区和中区比较平坦，后区断裂面　起伏较大，且较粗糙，扩展中、后区明显可见疲劳弧　线；瞬断区面积较小，由出气侧和背弧面两部分组　成，背弧面有剪切唇。３家电厂ｓ１级故障叶片断口　位置及断口形貌高度相似。　理化检验与分析结果表明：样品叶片的化学成　分、力学性能基本符合要求，金相组织状态正常，其　原材料质量基本正常；断裂类型为高周疲劳断裂　（振动疲劳断裂），裂纹源区为点源。　采用共振法和自振法对压气机上缸Ｓ１级叶片　进行了频率测量：Ｓ１级叶片在１　６００　Ｈｚ附近分布有　高阶的固有频率，与ｚｎ（动叶气流尾迹）激振频率一　致或接近，叶片在运行状态下将发生与动叶气流尾　迹激振频率重合的共振。　采用三维有限元方法对叶片的振动特性进行计　算分析，结果表明：ｓｌ级叶片第７阶振动模态的固　有频率与ｚｎ激振频率基本重合，叶片在运行状态下　将发生与ｚｎ激振频率重合的共振。　３预防及处理　３．１预防措施　对于未进行压气机升级改造的机组，建议定期　进行压气机内窥镜检查，可根据机组运行特点和运　行情况缩短制造厂推荐的检查周期。利用机组停运　机会进行相关叶片超声波探伤。定期进行压气机水　洗，防止压气机效率降低，减少腐蚀物在叶片上的积　垢形成裂纹的机会。做好压气机进气过滤系统的运　行维护工作。　第３期　９ＦＡ燃气轮机压气机叶片断裂故障及预防处理　５１　加强压气机检查及隐患监控可减少重大事故发　生，如某电厂通过内窥镜检查发现２号燃气轮机Ｒ０　级叶片存在裂纹；上述Ｂ电厂通过内窥镜检查发现　２号燃气轮机压气机Ｓ０级一叶片存在裂纹（长约１８　ａｒｍ），并对所有叶片进行超声波无损探伤发现共有　５片ｓ０级叶片存在裂纹。　３．２压气机升级改造　２００９年９ＦＡ燃气轮机压气机改进设计完成，称　为增强型压气机。将压气机进口导叶（ＩＧＶ）、动叶　前级（Ｒ０），ＳＯ～Ｓ８级静叶以及后几级静叶（Ｓ１４～　Ｓ１６）更换为升级后的叶片，同时在软件上进行升　级。２０１０年４月开始在新生产的机组上试用，随后　对旧机组进行逐步改造。　升级前的叶片和升级后的叶片相比，从叶型设　计、表面处理工艺上都有改进。　３．２．１硬件部分改进情况　１）Ｒ０级　叶型改变明显，更换为改良翼型的叶片，避开气　流激振频率。由叶型根部局部喷丸处理改为全叶身　喷丸处理，进气侧圆弧过渡处理。改后根部明显加　厚，燕尾叶根在其和轮盘接触的部位做了圆弧倒角，　燕尾槽加耐磨涂层，改善Ｒ０级根部应力。叶顶做　了端切，改善了叶顶刮擦容限，同时改变了叶片的固　有频率。改进后的Ｒ０级固定销在更换时可以取　出，避免在叶轮上增加新的定位冲。　２）Ｓｏ～Ｓ５级　由局部喷丸处理改为全身喷丸处理，提高了防　腐蚀、侵蚀、外物击伤（ＦＯＤ）的能力。其中ｓ１至ｓ３　级在叶顶做了端切，以减少对转子轮盘摩擦。　３）Ｓ１～Ｓ３级　ｓ１一ｓ３级更换为改良翼型的叶片，避开气流激　振频率，加大了对各种已知激励的裕量。　（ａ】原ｓ１静叶片　（ｂ）增强型Ｓ１静叶片　图ｌ１　Ｓ１级改进前后叶型对比　改进的Ｓｌ级在出气边侧和进气边处进行了调　整，截面厚度比相同叶高下原ｓ１叶型截面厚度大。　原Ｓ１静叶片厚度随叶高增加逐渐减小，而增强型　ｓ１静叶片在一定叶高范围内，随着叶高增加叶型截　面厚度逐渐增加，见图１１。　４）ＳＯ—Ｓ４级静叶持环　Ｓ０一Ｓ４级静叶持环采用新设计，包括材料升级　为不锈钢，减少静叶和持环之间侵蚀的可能性，使静　叶的振动阻尼及振动应力最小化，缩短了持环每段　的长度，增加了维护可行性。　５）压气机中缸ｓ５级底部　在压气机中缸ｓ５级底部加装固定销，防止Ｓ５　级在圆周方向移动导致气流改变，进而引起叶片激　振频率变化。“防转销”使静叶只能向一侧滑动，避　免所有的叶片都向水平中分面滑动，防止引起此处　静叶振动阻尼减弱、振动应力增大。　６）Ｓ６～Ｓ８级　叶身喷丸硬化处理，增加耐腐蚀性能。　７）Ｓ９～Ｓ１３及Ｓ１７级　通过精确测量，把间隙平均到每一片静叶上，最　后直接加一片静叶，以达到尽量不使用填隙片的　目的。　８）Ｓ１４～￥１６级　改进了Ｓ１４一Ｓ１６级静叶的叶根，变为大脚叶　片，轴向更长，径向更宽，提高接触面积，避免之前发　生的￥１４一Ｓ１６级叶片和压气机缸之间磨损，防止叶　根损坏造成设备事故。叶身表面喷丸硬化处理。叶　根加厚，底部改成曲面，加装防错安装销。叶根两侧　凸耳加厚，由原来的５　ｍｍ改成１２　ｍｍ，提高了抗磨　损能力。叶顶做了端切，改善了叶顶刮擦容限。改　进后减少了叶片的振动，减少并分散了负荷。图１２　为改进前后叶根外形比较。　■■　（ａ）改进前　（ｂ）改进后　图１２改进前后Ｓ１５叶根外形对比　９）ＩＧＶ和防喘阀　ＩＧ￣更换为翼型重新设计的叶片，改善与Ｒ０　级叶片之间的交互作用。防喘阀上增加了限位开　５２　燃气轮机技术　第２６卷　关。ＩＧＶ油缸的限位从原来的２６～９０改为２１　～生。可见该型机组在两班制调峰下压气机出现故障　概率较大。根据故障分析，９ＦＡ燃气轮机压气机叶　片故障类型为高周疲劳开（断）裂，根本原因是叶片　某阶固有频率未能有效避开ｋｎ、ｚｎ共振。　９２．５。　３．２．２软件部分改进情况　减小了ＩＧＶ最小开度，并且在控制软件上进一　步进行了升级，以尽量减少Ｒ０叶片在旋转失速区　加强压气机检查及隐患监控可减少重大事故发　生。对压气机升级改造可避免同类型故障发生，目　前已有数家电厂完成了改造，另有多家电厂即将进　行改造。改造后燃气轮机压气机工况发生变化，主　停留时间。增加了防喘阀的离线试验功能，允许运　行人员在停机时对防喘阀进行试验。　只要按下控制画面上启动或测试按钮，控制系　统会自动执行防喘阀开关试验，若有问题不允许启　动。通过防喘阀与ＩＧＶ联合作用，尤其对Ｒ０级、Ｒ４　要表现在压比略有增加而效率略有下降，燃气轮机　出力也发生了变化，改造后机组总体运行情况良好。　参考文献：　［１］　肖俊峰，赵毅，刘树涛，等．９ＦＡ燃气轮机压气机ｓ１级叶片断　裂故障原因分析一中国动力工程学会透平专业委员会２０１０年　学术研讨会论文集［ｃ］．上海：中国动力工程学会透平专业委　员会，２０１０：４３—５６．　级叶片来说，降低了启动与停机时压气机在部分转　速运行时旋转失速条件下的气动力。　４　结　论　国外９ＦＡ燃气轮发电机组多数为基本负荷、连　续运行，少部分机组为调峰运行，而在国内绝大多数　为二班制、调峰运行。统计表明，国外机组压气机后　级叶片晃动、叶根槽磨损、叶台凸起问题大多发生在　机组运行１６０００小时以后，而国内出现相同问题的　—［２］周凡贞，王立清，王江洪，等．ＧＥ　９ＦＡ燃气轮机压气机增强型　ｓ１静叶片固有频率分析［Ｊ］．汽轮机技术，２０１１，５３（２）：８９　９１．　［３］朱晨明．９ＦＡ燃气轮机压气机升级改造后工况变化分析［Ｊ］．　燃气轮机发电技术，２０１１，１３（３）：２—４．　［４］　肖维龙．提高９ＦＡ燃气轮机压气机可靠性的技术改造和运行　措施［Ｊ］．燃气轮机发电技术，２０１１，１３（３）：５—８．　［５］　章程，任鑫，程途，等．大型燃气一蒸汽联合循环机组故障分析　总结［Ｒ］．北京：中国华电集团公司，２０１２．　机组运行时数最短的仅为４　９００小时。对于发生压　气机叶片断裂事故的机组，国内二班制调峰运行机　组（单轴）最短运行４　８００小时，最长运行１６　１５０小　时；连续运行机组（多轴）在运行２０　３３０小时后发　Ｆｒａｃｔｕｒｅ　Ｆａｉｌｕｒｅａｎｄ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　９ＦＡ　Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　Ｖａｎｅｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｔｉ．ＷＵ　Ｙｉｎ－ｃｈｅｎ　（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｈｕａｄｉａｎ　Ｑｉｓｈｕｙａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　２１３０１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　９ＦＡ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｖａｎｅｓ　ａｎｄ　ｂｌａｄｅｓ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃａｓｅｓ，ｗｈｉｌｅ　ｒｏｏｔ　ｃａｕｓｅｓ　ｗｅｒｅ　ａｎ—　ａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　Ｒ０　ｂｌａｄｅｓ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｒｏｏｔ　ｃａｕｓｅ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　２“　ｎａｔｕｒａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｉｓ　ｉｎ　ｋｎ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ａｒｅａ，ａｎｄ　Ｓ１　ｖａｎｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｒｏｏｔ　ｃａｕｓｅ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　７　ｎａｔｕｒａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｉｎ　ｚｎ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ａｒｅａ．Ｔｈｅｓｅ　ｗｅｒｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ．Ｔｏ　ｃｏｎｄｕｃｔ　ｍｏｒｅ　ｒｅｇｕｌａｒ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｍａｙ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｆａｉｌｕｒｅｓ，ａｎｄ　ｕｐｇｒａｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｖｏｉｄ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｉｎｃｉｄｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：９ＦＡ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅ；ｖａｎｅ；ｈｉｇｈ　ｃｙｃｌｅ　ｆａｔｉｇｕｅ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｕｐｇｒａｄｅ