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8戚墅堰-1燃机压气机叶片断裂故障分析报告-西安热工院(定稿)


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江苏华电戚墅堰发电有限公司 1号燃气轮机压气机叶片 断裂故障原因初步分析意见

西安热工研究院有限公司 二○○八年十一月 江苏 南京

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主要内容

前言 机组概况 故障概况 断裂叶片断口性质 S1、S5级静叶片无损探伤 S1、S5级静叶片测量 机组运行的初

步评价 故障原因初步综合分析 结论及建议

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1、前言

2008年9月12日凌晨5时33分,江苏华电戚 墅堰发电有限公司1号燃气轮机在运行中因 压气机排气压力失去、燃气轮机排气温度 高及振动大而跳闸停机,经检查初步判断 为压气机叶片断裂故障。

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1. 前言

故障发生后,西安热工院受江苏华电戚墅堰 发电有限公司委托:
对故障原因进行了调查:事故过程、设备损坏情况 、文件调查等工作。 对机组的运行和本次故障的处理进行调查。 对S1级、S5级静叶片进行了探伤;抽测了发生断裂 故障的压气机S1级、S5级静叶片的频率。 对故障原因进行了初步的分析。

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2、 机组概况(略)

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3、故障概况

3.1 故障前机组概况 负荷情况
正常运行负荷一般在280MW~390MW基本负荷之 间,冬季环境温度低时最高负荷420MW,调峰时最 低负荷250MW。

运行方式
1号燃气轮机以联合循环方式运行。

系统周波
1号燃机投产至事故前,系统周波保持在49.98Hz~ 50.02Hz运行。

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3、故障概况

启停次数及运行时间
1号燃气轮机从安装调试到事故前 ? 累计点火运行 11753.9小时 ? 天然气点火运行 11753.9小时 ? 手动启动次数 202次 ? 累计启动次数 272次 ? 事故跳闸次数 23次 (因燃机引起的跳闸仅本次事故跳闸)

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3、故障概况

3.2 故障经过及处理 故障经过
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2008年9月12日,夜班接班后1号燃机运行正常5:30机组 负荷为285MW. 5:33机组突然跳闸,转速下降,MARKVI上出现压气机排气 压力失去报警(从12kg瞬时降为3kg)及燃机排气温度 温报警. #1、#2轴振全部超限(最高达0.28mm),IGV从66度开启 到88度, #3~#8轴承振动正常,防喘阀开启正常,#1~#8 轴承温度、润滑油压均正常,IGV关闭正常.

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3、故障概况

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6:02分,转速至零,盘车自投正常,偏心0.03mm,电 流52A。

故障前及故障过程中的数据记录 2009年9月12日5:00时~5:34时燃机各运行监 控数据曲线见附图。

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附图1 9月12日5:00~5:34分(共2045秒)内1号机组功率、 转速、压气机压比、各轴承瓦温、油温等数据曲线

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附图2

9月12日5:00~5:34分(共2045秒)内1号机组功率、 转速、各轴承瓦温、油温等数据曲线

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附图3

9月12日5:00~5:34分(共2045秒)内1号机组 各轴振及轴向位移等数据曲线

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附图4

9月12日5:00~5:34分(共2045秒)内1号机组 各轴承振动数据曲线

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附图5

9月12日5:00~5:34分(共2045秒)内 1号各轴承振动数据曲线

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3、故障概况

故障处理
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燃机故障停机后,戚墅堰发电有限公司一方面确保 现有机组的安全稳定运行,另一方面组织人员、联 系燃机制造商GE公司积极做好抢修的所有准备工 作。 同时联系燃机制造商GE公司和西安热工研究院、 江苏电科院派技术人员至故障现场进行鉴证、调 查等工作。

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3、故障概况

3.3 燃气轮机设备损坏情况
2009年9月27~10月12日,GE检修人员在电厂检 修人员协助下,对1号燃气轮机压气机及透平进 行了揭缸及起吊转子出缸工作。 西安热工研究院等单位技术人员在现场对压气机 及燃气透平的损伤进行了初步检查,并建议业主 在燃气轮机解体现场对压气机、燃气透平、燃烧 器、气缸等的损伤情况进行详细的文字及影像记 录。

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3.故障概况

压气机
压气机上缸揭缸后目视检查 ? 压气机R0级动叶未见撞击损伤 ? 压气机S0级静叶未见撞击损伤 ? 压气机R1级动叶未见撞击损伤 ? 压气机S1级静叶断裂1片,部分叶片尾缘有撞击损伤 ? 压气机R2级动叶部分叶片前、后缘均有撞击损伤 ? 压气机S2级静叶片前缘有撞击损伤

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3、故障概况

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压气机R3级个别叶片前缘有撞击损伤 压气机S3级部分叶片顶部前缘有撞击摩擦损伤 压气机S4级个别叶片尾缘有撞击损伤 压气机R4级个别叶片前缘有撞击损伤 压气机R5级多数叶片后缘有撞击损伤 压气机S5级上缸、下缸各断裂1片,多数静叶片有叶根松动现 象 压气机转子叶片自R5级开始损伤严重 第R4~R8极区域气缸内壁及转子轴面有明显的磨擦痕迹,动叶 片叶顶有磨擦翻边

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图1 压气机动叶损伤情况

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S5静叶在转子上的擦痕

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图2 压气机动叶损伤情况

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图3、压气机静叶损伤情况(上缸)

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图4、压气机静叶损伤情况(下缸)

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3.故障概况

燃气透平
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透平第1、2、3级动、静叶片背弧表面粗糙,有明显固体 撞击痕迹。 1级动叶(气缸中分面以上部分)中部分叶片在进气边叶 顶部位存在缺口,大多数叶片存在表面涂层脱落的状况。 透平(气缸中分面以上部分)第1级静叶根部内弧侧约50% 目视可见裂纹。

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图5 透平第1级动叶损伤情况

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图6 透平第1级静叶裂纹

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图7 透平第1级静叶损伤

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4、断裂叶片断口性质

4.1 S1级静叶片断口
S1级断裂叶片位于下缸顺时针(从压气机进气口 向排气口看)第7片,断口距叶顶约50mm(如图8)

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图8 S1级断裂叶片断口位置

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图9 S1断裂叶片部分断口

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4、断裂叶片断口性质

S1断裂叶片断口呈明显的高周疲劳断口特征。 目视可分辨断口上的疲劳裂纹扩展(贝壳样或沙滩样 )区和失稳断裂区。疲劳裂纹萌生区(疲劳源点)位 于叶片前缘。 疲劳扩展区的疲劳纹由断口截面型线前缘向尾缘扩 展至弦长1/3处时,沿叶高约45度角向后缘扩展,至 弦长约5/6断口呈轴向扩展至断裂。 叶片背弧侧有剪切唇,终断区呈粗糙金属样。裂纹 扩展方向的变化与叶片的振型有关,也与或可能存 在的材质缺陷有关。

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4.2

S5级静叶片断口

压气机上缸S5级顺时针方向(从压气机进气口向 排气口看)第18片静叶断裂,断口位于叶型根部截 面(如图10)。

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图10 S5级上缸断裂叶片断口位置

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4、 断裂叶片断口性质

断口截面前、后缘均被碰撞损伤,叶片断口中间 区域呈明显的疲劳断口特征,目视可分辨断口上的 疲劳条纹(见图11)。 疲劳裂纹萌生区(疲劳源点)因碰撞损伤目视已 难以辨别,疲劳扩展区的疲劳纹由断口截面型线 前缘向尾缘扩展,疲劳扩展区占断口面积约4/5。

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图11 S5级上缸断裂叶片断口

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4、断裂叶片断口性质

压气机下缸S5级一片静叶断裂,断口位于 叶型根部截面(如图12), 断口已被碰撞 挤压损伤,难以辨别其特征。

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图12 S5级下缸断裂叶片断口

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4、断裂叶片断口性质

综上: 1号燃气轮机压气机S1、S5级静叶片断裂的 性质为高周疲劳断裂。

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5、 S1级、S5级静叶片无损探伤
西安热工研究院于2008年10月16日在现场检验要 求的条件下,采用超声波探伤对压气机上下缸的 S1和S5两级静叶片进行无损检测,并对有可疑信 号的上缸S1的#7静叶片和下缸S1的#5静叶片进行 了渗透探伤。

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5、S1级、S5级静叶片无损探伤
检验结果:
经超声表面波探伤,上缸S1级#7静叶片和下缸S1 级#5静叶片进气侧发现可记录可疑信号,经检验 和着色探伤复查确认不属过渡区的棱角的固有信 号,也不是叶片内、背弧两面油污、锈蚀或划痕 等杂物造成的回波信号。 经超声表面波检验上缸S1级#7静叶片进气侧有3处 有可疑信号,经着色探伤复查,未发现有表面开 口型缺陷显示:

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5、 S1级、S5级静叶片无损探伤
①号缺陷距叶顶250mm进气侧、反射信号最大,波幅超出 检验灵敏度约10dB(参考DL/T 714—2000可判为裂纹类缺 陷),且显示缺陷有一定长度(约15mm长)和角度(约 10°左右)。 ②号缺陷位于进气侧距叶顶305mm、反射信号较大,波幅 超出检验灵敏度约8dB,且显示有缺陷有一定长度(约 12mm长),方向与边缘垂直。 ③号缺陷位于进气侧距叶顶220mm、反射信号较大,波幅 超出检验灵敏度约6dB,且显示有缺陷有一定长度(约 10mm长),方向与边缘垂直。

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5、S1级、S5级静叶片无损探伤
经超声表面波检验下缸S1级#5静叶片进气侧1处有 可疑信号,经着色探伤复查未发现有表面开口型缺 陷显示,缺陷位于进气侧距叶顶约220mm、反射信 号较大,波幅超出检验灵敏度约6dB,且显示有缺 陷有一定长度(约8mm长)和角度(约10°左右)。

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5、 S1级、S5级静叶片无损探伤
由于现场检验条件限制,上述探伤所显示怀疑缺 陷的位置和角度测量值还不够精确,待叶片拆除 可作进一步精细测量;鉴于超声表面波检验对微 观组织检验技术局限性,为对叶片缺陷进一步定 性,建议对上述两叶片进行微观组织检查。 对S5级静叶进行了探伤,但由于S5级静叶已普遍 损伤,现场难以判断在本次故障发生前是否存在 缺陷。

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6、 S1级、S5级静叶片频率测量

在现场采用共振法、自振法对压气机上缸S1级#7、 #12、#13静叶片及S5级#1、#3静叶片进行了频率测 量,测量时环境温度20℃。频率测量结果如下:

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表2
阶次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

S1级#7、#12及#13静叶片频率测量结果(单位:Hz)
#7 共振法 88 358 533 --860 1135 1580 1800 --2545 --#12 共振法 91 365 540 --875 1145 1585 --2425 --3195 共振法 90 366 537 --876 1131 1593 1815 2440 2541 --#13 自振法 91 363 534 728 875 1131 1591 ---------

叶片号

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表3

S5级#1、#3静叶片频率测量结果(单位:Hz)
#1 共振法 100 565 680 855 --1450 1775 2360 2900 3870 自振法 103 566 681 856 1131 1422 --------#3 共振法 110 580 --895 ------2320 2820 ---

叶片号 阶次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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S1级#13静叶片共振响应图

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S5级#3静叶片共振响应图

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6. S1级、S5级静叶片频率测量
对上缸S1级#7、#12、#13静叶频率的测量结果表明:
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在现场室温条件下,S1级的#7、#12、#13静叶片在 1600 Hz及3200Hz附近分布有高阶的固有频率,与Zn 激振频率一致或接近。 S1级前R1级动叶数32片,Zn激振频率为1600 Hz,2 Zn激振频率为3200 Hz。

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6.S1级、S5级静叶片频率测量

对上缸S5级#1、#3静叶频率的测量结果表明:
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在现场室温条件下, S5级的#1静叶在2300 Hz附近均分布 有高阶的固有频率。 尽管近叶根出气侧的损伤会导致叶片测量频率偏低,但考 虑到运行时该级的工作温度会导致叶片材料弹性模量的降 低进而使叶片的各阶固有频率降低,况且以往的内窥镜检 查及揭缸后现场检查发现S5级静叶叶根安装不够紧密,因 此,有理由认为,即便是完好未有损伤的S5级叶片,运行 中其固有频率也有落入2300 Hz附近区域的可能,与Zn激 振频率一致或接近。 S5级前R5级动叶数46片,Zn激振频率为2300 Hz。

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7.机组运行的初步评价

7.1 故障前运行方式的评价
故障前,1号燃气轮机以单元制方式带1号余热锅炉 及汽轮机联合循环运行,燃料为天然气,联合循环 机组负荷285MW。 经查阅分析1号燃气轮机组各运行监控数据,故障 前电厂对1号燃气轮机的运行操作是正确的。

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7、机组运行的初步评价

7.2 机组本次故障处理的评价
故障发生后,运行人员按操作规程操作和处理,并立 即进行检查,及时报告上级进行处理。电厂各级人 员以积极态度投入故障处理:
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故障机组的揭缸、检修和分析,争取早日恢复生产; 抱着实事求是、毫无隐瞒的态度,组织国内相关单位技术人 员积极分析事故原因; 通知GE公司派员了解机组损坏情况,为机组维修作好部件准 备。

电厂对机组本次故障的处理是及时、稳妥和正确的 。

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8、故障原因的初步综合分析
8.1 可能引起故障的因素
叶片振动疲劳断裂可与设计、制造、安装、运行 等因素有关。

设计因素
本次故障中压气机第S1级叶片断口、S5级叶片断 口均呈现典型的疲劳断裂特征,不能排除由设计造成 的振动特性不良等因素。

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8、故障原因的初步综合分析

材料因素
可能引起故障的材料因素有:材料选择有误、 材质不良(性能不合格)、检查有误、锻铸造缺陷 等。现场探伤发现S1级个别静叶疑似有缺陷存在, 因尚未进行叶片材质理化检验分析,还不能排除材 料选择有误、材质不良等材料因素。

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8、故障原因的初步综合分析

制造、安装因素
可能引起故障的制造、安装因素有:加工制 造尺寸有误、安装装配有误、安装调整不当、检 查有误、技术不成熟等。这些因素单独或共同存 在都会直接影响叶片的安全可靠性。

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上缸S6、S7、S8填隙片凸出情况

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S5 叶片叶根间隙

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S15 #38-#39叶片叶根间隙

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8、故障原因的初步综合分析

检修因素
可能引起故障的检修因素有:检修装配有误 、检修调整不当等。1号机组投运后未由电厂技术 人员对压气机及燃气透平内部进行过检修,不存 在因电厂技术人员检修因素引起故障的问题。

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8、故障原因的初步综合分析

运行因素
运行因素包括:启动不当、停机不当、甩负 荷不当、低周波或高周波、超速、过负荷、转子 振动过大等。

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8、故障原因的初步综合分析

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事故前机组带有功负荷285MW正常运行,不存在启 动问题、过负荷问题、甩负荷不当问题。 机组故障是在瞬间发生的,机组发生故障在前, 自动跳闸在后,不存在停机不当问题。 按MRAKⅥ的记录数据,转速正常,不存在超速问 题。 机组投运后在49.98Hz ~ 50.02Hz范围运行,在运 行规范48.5Hz~50.5Hz的规定之内, 不存在低周 波或高周波运行的问题。

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8、故障原因的初步综合分析

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1号燃气轮机转子于5:31:25振动突然增大(由0.084mm/s突 增至0.1344mm/s),1秒钟后瞬间回落并维持在0.11 mm/s0.12 mm/s之间,直至5:33:18压气机失压保护跳机,未有 的变化。 分析转子振动数据,振动在机组跳机前已有变化,引起振 变化的因素可能是S1或S5级静叶片断裂飞脱击伤转子动叶 使转子动叶片失去部分质量或动静碰磨的结果,引发转子 不平衡振动;约2分钟内,由于压气机部分级逐步损伤而使 压气机各级气流工作状态发生变化,导致压气机失压保护 作而跳机。转子振动增大和变化的历程,反映了静叶片断 故障引发转子不平衡振动的过程。转子振动增大和变化以 压气机失压是反映机组发生故障的后果,不是故障的原因

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8、故障原因的初步综合分析

8.2 压气机叶片断裂故障原因 燃气轮机压气机叶片损坏原因较多,其中振动为主 要原因,称为振动损坏或疲劳损坏,其主要特征为 叶片断口呈疲劳损坏特征。 引起振动的原因可能有Kn共振、Zn共振及颤振(流 固耦合振动)。 与Kn共振、Zn共振不同,颤振的典型特点为同一级 叶片同时发颤,叶片具有同一频率、同一振型、同 一相位,但叶片的振幅可不相等;颤振时可造成整 级叶片多数断裂的严重故障。

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8、故障原因的初步综合分析

结合对事故前后机组运行状况的调查分析,根据前述 S1级、S5级静叶片断口特征及现场对S1级#7、#12、 #13静叶片及S5级#1、#3静叶片的频率测量结果,初 步分析认为: 压气机S1、S5级静叶片断裂的原因为振动疲劳断裂。 引起S1级、S5级静叶片振动疲劳的原因是Zn共振。 现场探伤发现S1级个别静叶疑似有缺陷存在,因尚未 进行叶片材质理化检验分析,还不能排除材料选择有 误、材质不良等材料因素。

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8、故障原因的初步综合分析

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S1级的#7、#12、#13静叶片在1600Hz及 3200Hz附近分布有高阶的固有频率,与Zn 激振频率一致或接近。 S5级的#1静叶在2300 Hz附近均分布有高阶 的固有频率,与Zn激振频率一致或接近。

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8、压气机叶片断裂故障的原因
根据对电厂运行情况的调查分析(包括负 荷情况、运行方式、电网周波、各运行监 控参数等),初步认为1号燃气轮机压气机 故障与设备本身质量有关,与运行因素无 关。

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9、结论与建议
结论

9.1

故障起因于压气机第S1级静叶和S5级静叶,S1级 静叶片和S5级静叶片断裂的原因为振动疲劳断裂。 断裂故障与设计、制造、安装有关,即与设备本身 质量有关。 现场探伤发现S1级个别静叶疑似有缺陷存在,因 尚未进行叶片材质理化检验分析,还不能排除材料 选择有误、材质不良等材料因素。

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9、结论与建议
建议

9.2

对压气机第S1级、S5级静叶片进行断口 和材料理化检验分析,并对第S1级、S5级静叶片 进行振动特性计算和安全性评价,以详细分析确 定叶片断裂原因,指导机组修复和随后的安全运 行。 S1、S5级静叶片断口分析及材质理化检验
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叶片材料的化学成分分析 叶片材料的力学性能(拉伸性能、冲击韧性、硬度)测试 金相组织分析 断口形貌宏观分析 断口扫描电镜分析及断口能谱分析

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9、结论与建议

S1、S5级静叶片振动安全性计算分析
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S5级静叶片的振动特性有限元计算分析 S5级静叶片的振动特性有限元计算分析

建议要求GE提供压气机的相关技术资料、及1、2 号燃机组装的相关记录文件,主要内容如下:
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1号、2号燃气轮机压气机S1~S17级静叶片安装前后的探 伤检查结果记录。 1号、2号燃气轮机压气机S1~S17级静叶片安装前后的频 率测量结果记录及GE标准要求。 1号、2号燃气轮机压气机R1~R17级动叶片安装前后的频 率测量结果记录及GE标准要求。

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9、结论与建议

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1号、2号燃气轮机压气机R1~R17级动叶片安装前后的频 率测量结果记录及GE标准要求。 1号、2号燃气轮机压气机S1~S17级静叶片安装工艺要求 及安装后检查结果记录。 1号、2号燃气轮机压气机R1~R17级动叶片安装工艺要求 及安装后检查结果记录。 压气机S0~S17级静叶材料牌号及机械物理、力学性能数 据。 压气机R0~R17级动叶材料牌号及机械物理、力学性能数 据。

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鉴于尚未开展故障原因的详细分析工作, 因此目前的初步分析尚不能作为判别故障 责任的严格技术依据。

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敬请各位专家批评指导,谢谢!


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