汽轮机低压缸末级叶片断裂的原因分析

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摘要：文章对某115MW机组汽轮机低压缸末级叶片断裂原因进行了分析，认为叶片断裂主要是由于水击及连续高背压、低负荷运行两个原因所致，提出了需要注意的防范措施。

关键词：汽轮机；低压缸；末级叶片；断裂

中图分类号：TK267

文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）25-0080-03

1　概述

某电厂115MW机组在做完50%甩负荷试验后，发现低压缸末级叶片断裂损坏，共有29片末级叶片存在不同程度的损伤，其中调端低压缸末级叶片损伤14片，电端低压缸末级叶片损伤15片，如图1所示。

叶片受损的主要特征是：叶片扭曲变形，部分叶片开裂、断裂；电端和调端两端变形扭曲的方向相同；断裂和开裂均发生在末级叶片梢部。

图1　叶片断裂损坏 图2　汽轮机低压缸转子叶片

2　汽轮机低压缸布置及叶片型式

汽轮机采用的是非再热式高压单轴、双缸、两排汽、凝汽式汽轮机，设5级抽汽回热系统。就凝汽式汽轮机而言，从锅炉产生的新蒸汽经由主阀门依次进入高中压缸，再进入低压缸，最终进入凝汽器。蒸汽的热能在汽轮机内消耗，变为蒸汽的动能，然后推动装有叶片的汽轮机转子，最终转化为机械能带动发电机。

随着蒸汽压力和温度的不断降低，比容越来越大，为了保证足够的通流与做功能力，汽轮机的叶片也越来越长。本机低压缸设有2×5级动叶片，末级叶片长度为700mm，如图2。

末级叶片主要技术规范：平均直径2035mm，通流长度700mm，每侧整圈叶片数60只，叶根轴向宽度146mm，工作转速3000r/min，叶片型式为自由叶片，材质为2Cr13调质。

3　叶片断裂的两个原因分析

3.1　抽汽管道U型管段积水，甩负荷时积水进入汽缸将叶片损坏

在对汽机附属管道设备进行检查时发现，五段抽汽管道布置存在一个U型管段，其中水平段长度7m，在运行过程中会造成管段内部积水。

图3　抽汽管道U型管段

U型管道水平段设有疏水点，按汽轮机说明书规定，抽汽管道上的疏水阀门仅在机组启动、停机和负荷低于20%时开启，当负荷达到20%以上时，疏水阀门关闭，即负荷20%以上时抽汽管道内就不再有疏水需要排除。且五段抽汽管道的防进水壁测点又错误地设计在母管上（U型高点处），运行中无法检测抽气管道U型底部积水状况，如图3所示。

五段抽汽管设计和运行工况各参数分别见表1和表2：

表1　#5低加设计工况

项目 负荷50% 负荷75% 负荷100%

负荷（MW） 57.5 86.4 115

主汽压力（MPa） 9.32 9.32 9.32

主汽温度 （℃） 537 537 537

真空（kPa） -92 -92 -92

#5抽汽温度 （℃） 73.9 82.6 89.4

#5低加疏水温度 （℃） 72.7 81.3 88

#4低加凝结水进口温度（℃） 69.7 78.3 85

表2　 #5低加运行工况

日期 09/01/09

07:28 08/01/09

02:51 19/12/08

02:11

负荷（MW） 56.44 74.18 114

主汽压力（MPa） 5.99 7.41 9.29

主汽温度（℃） 513 524.06 537

真空（kPa） -87.29 -82.92 -85.01

#5抽汽温度（℃） 71.50 73.14 72.43

#5低加正常疏水温度 （℃） 74.35 78.85 81.97

#4低加凝结水进口温度（℃） 54.13 59.03 55.48

从上表1和表2中可看出，#5低加在负荷为50%、75%、100%的设计工况下，抽汽温度分别为73.9℃、82.6℃和89.4℃，但实际运行时的工况却基本没有变化，由此可知抽汽管道出现了堵塞的情况。

且#5低加在负荷为100%的设计工况下，抽汽温度为89.4℃，但从现场运行数据中可看出，五段抽蒸汽温度从满负荷开始波动，有异常迹象，14小时后从84.53℃下降到69.83℃，见图4所示，这也说明了抽气管道发生堵塞。

图4　五段抽汽温度运行曲线图

对于该115MW机型，事实证明，负荷大于20%之后，五段抽汽管道内仍有湿蒸汽的凝结水，积水需要通过疏水阀门排除，抽汽管道内的疏水总量达到1600kg/h，如不及时排出积水，短时间内即可将U型管底部堵塞。

在不知道疏水量的情况下，通过汽机热平衡图提供的三个蒸汽参数（压力、温度、焓值），从通用的水蒸汽热力性能表上能够查出它是含有约7%水份的饱和蒸汽。且从机组运行数据中发现，其低加的凝结水温升始终是2℃左右（额定设计值40℃），这也说明抽汽未能进入低加，由此可知抽汽管道被积水堵塞。

由于五段抽汽管存在积水，当机组甩负荷或负荷突降时，缸内压力突变，五段抽汽管内部积水发生闪蒸，大量水汽通过五段抽抽汽口倒灌入低压缸，汽轮机末级叶片受到水冲击，导致部分末级叶片扭曲变形，引起动静相碰，末级叶片发生断裂。

据观察，在甩负荷停机前，汽水品质合格，但

3天之后对凝结水取样，发现凝结水电导率达到

153us/cm，钠离子浓度达到15000ppb；由凝结水水质恶化寻找到凝汽器钛管破裂泄漏及已断裂的叶片残片。

3.2　汽机连续在高背压、低负荷工况下运行，末级叶片因气流激振或局部鼓风发热发生不正常变形而

损坏

根据机组运行的600多小时记录中，经常连续带40%～50%的负荷，而且，真空长时间在－81kPa至

－85kPa之间。当机组负荷为45MW、真空为－83kPa时，排汽容积流量仅为设计排汽容积流量的11%，末级叶片因气流激振或局部鼓风发热而发生不正常变形。