热电站#4机叶轮轮缘裂纹分析及处理

热电站 #4机叶轮轮缘裂纹分析及处理

王举

齐鲁石化热电厂乙烯动力站 山东省淄博市 255400

摘 要：汽轮机叶轮轮缘开裂是汽轮发电机组运行中重大安全隐患，开裂原因主要是因为腐蚀和应力综合作用造成的。

关键词：汽轮发电机组、叶轮轮缘、腐蚀、水质

1. 机组概况

热电站#4机是上海汽轮机厂制造的单缸、冲动、抽汽冷凝式具有一级调整抽汽汽轮机，型号：C60-8.83/1.275-2。机组额定功率50MW（已扩容至60MW），主蒸汽压力：8.83MPa，主蒸汽温 度：535℃，低压调整抽汽压力：1.27MPa。2005年，由哈尔滨哈汽电站设备有限公司改造扩容，由50MW扩容至60MW。机组上次大修时间2013年10月。

二、故障经过

2018年2月11日热电站4#机组根据生产需要，停机备用，根据检修安排和发电机一点接地故障频发，3月5日，#4机组转大修，同步开展寿命评估工作。汽轮机转子于3月14日出厂，交由济南发电设备厂有限公司进行套装叶轮拆卸配合寿命与安全评估和转子动平衡工作。转子叶轮拆卸后，由省特检院进行检测，检测中发现，第14级叶轮出汽侧轮缘外表面发现2处环向裂纹（裂纹1和裂纹2）。裂纹1 长度约为70mm，裂纹2长度约为50mm。开裂位置及裂纹形貌如图1所示。

3月30日，齐鲁石化机动处、热电厂机动科、省特检院、济南发电设备厂有限公司共同鉴定并决定更换第14级叶轮和叶片，由济南发电设备厂有限公司施工。热电厂提报紧急采购计划，济南发电设备厂加工制作轮盘和叶片。4月16日，委托省特检院对转子腐蚀物和叶轮开裂原因进行分析。

2. 原因分析

1、轮缘开裂原因分析

省特检院分析认为，（1）受力方面：此反Ｔ形槽内壁上方根部在汽轮机运行过程中受到装配应力、热应力、离心力等复合应力影响。开裂位置处的几何不连续易形成应力集中，金属垫片的存在也加大了此处的应力集中程度。（2）工作环境方面：从轴径处的白色附着产物和断口处腐蚀产物的能谱分析结果可以得出，此14级轮缘工作在干湿蒸汽交替区的碱性环境中，存在应力腐蚀开裂的环境条件。（3）从金相组织和电镜检测结果来看，断口为脆性断口，裂纹以沿晶开裂裂纹为主，尖端呈树枝状分布，为典型的碱腐蚀环境下的应力腐蚀开裂裂纹形貌。

查询相关文献资料，国内外机组出现过类似问题，裂纹均集中在叶轮键槽附近。

唐山电厂25MW４号、５号机组，1983年发现转子叶轮键槽裂纹，分析原因为叶片装配机构不合理；

闸北电厂 25MW机组，1985年发现转子叶轮键槽裂纹，分析原因为应力腐蚀开裂；

中宁电厂25MW机组，1991年发现转子叶轮键槽裂纹，分析原因为应力集中，加工装配质量差，运行工况变化大；

阜新电厂100MW机组，1997年发现低压转子末级叶轮裂纹，分析原因为频繁启停机，处于汽水混合区腐蚀，且达到使用寿命；

HinkeyPoint５号87WM机组（英国），1969年发现低压转子第一级叶轮叶轮键槽处产生应力腐蚀裂纹，继而扩展。

#4机长期运行过程中，在复合应力和碱性腐蚀性介质共同作用下首先在叶轮反Ｔ形槽内壁上方根部形成微裂纹，应力腐蚀裂纹进一步扩展，最终扩展到轮缘外表面。

2、碱性环境产生的原因分析

特检院对转子附着物和开裂表面腐蚀产物进行能谱分析发现，存在大量钠离子。

调取LIMS系统上次机组大修至今数据，#4炉过热蒸汽、给水、#4机凝结水指标2015年10月至2018年2月期间均在控制范围之内，钠含量合格，无明显异常。我厂对锅炉给水和过热蒸汽的监控室根据GB/T12145-2016《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽品质》的规定要求，定期检测，严格控制汽水品质。

结合我厂#3机分析出现的腐蚀物硫元素（S）分析，我厂认为钠离子含量多的原因有两个：一是凝汽器内漏，工业水系统传入循环水，造成汽水系统中盐分含量增加。二是末级叶轮工作环境处于干湿蒸汽交替区域，盐分在该区域累计，形成了碱性环境。

四、防范措施

1、对第14级叶轮、叶片进行更换，消除叶轮裂纹缺陷。

2、对末九级叶轮、叶片进行100%全面检测探伤，未发现其他缺陷。

3、将9-17级套装叶轮全部拆卸进行大轴检测、中心孔探伤等，检查锻造部分缺陷，未发现异常。

4、针对#3机出现的腐蚀物硫和氯元素（S、CL）的防范措施，目前已将硫、和氯元素（S、CL）列入研究院年度检查验计划，通过分析氢电导率来检测上述元素的存在，同时在#1-8炉汽水在线分析项目，也将氢电导率作为一项检测内容。

5、针对#4机出现的碱性环境腐蚀问题，我厂将会同研究院对汽水品质继续讨论，探讨改善碱性水质的可行性方案。

6、#5机凝汽器管束目前仍为铜管，易出现泄漏，泄漏后循环水通过凝汽器管束进入真空系统，对炉水品质造成污染，根据年度负荷及费用情况，尽快对凝汽器进行更新，将铜管管束换成不锈钢管束，增加凝汽器运行可靠性。

参考文献：

[1]丁有宇， 李庾春， 孙注盛． 汽轮机叶轮的事故分析和可靠性设计［J］ ． 汽轮机技术， 1982( 3) : 51 － 69

[2]潘律云． 中压汽轮机叶轮的应力腐蚀开裂［J］腐蚀与防护1984( 1) : 31．