汽轮机转子叶轮裂纹及叶片损坏处理

童万均，刘全，何盛国

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

汽轮机转子叶轮裂纹及叶片损坏处理

童万均，刘全，何盛国

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

汽轮机组在检修期间检查发现转子叶轮叶根槽位置存在裂纹，且部分级次叶片损坏严重。通过安全性等校核，以及进行热力、凝汽器等核算，提出了可行的处理方案，以最短的时间恢复了机组运行。

转子，叶轮裂纹，叶片损坏，核算，处理方案

Abstract：When the turbine unit was under repair,the cracks were found in the root groove of rotor impeller blade,and the blades of some stage were badly damaged.Through security check,and the calculation of heat and condenser,a feasible treatment scheme was put forward and the operation of the unit was resumed in the shortest time.

Key words：rotor,impeller crack,blade damage,verification,processing methods

1 概述

某电厂汽轮机为进口的带工业抽汽及采暖供热的双抽机组，机组于1999年10月正式投运，型号为ЛT-140/165-130/15-2。机组型式：超高压、一段非调整和一段生产、二段采暖调整抽汽、双缸单轴、单排汽固定凝汽式汽轮机。

主要设计参数如下：

功率：额定142 MW，最大167 MW，凝汽120 MW；

通流级数：25级，其中高压缸13级，低压缸12级；

末级动叶长度：830 mm；

新蒸汽参数：主汽门前12.7 MPa/555℃；

新蒸汽流量额定：788 t/h、最大810 t/h、凝汽446 t/h；

背压： 7.36 kPa（绝压）-对应真空-77 kPa（冷却水温20℃）；

凝汽器通水量额定：12 400 t/h，最大13 500 t/h（水温 20℃）；

低压缸允许排汽量最大：330 t/h，最小20 t/h；

抽汽压力：工业抽汽1.08～1.96 MPa，采暖上段 0.036～0.16 MPa， 采暖下段 0.056～0.034 MPa；

抽汽流量：生产抽汽额定335 t/h，最大500 t/h；采暖抽汽流量（上、下段总和）额定220 t/h，最大270 t/h；

调节方式：电调。

电厂计划安排小修机会对转子及其附件进行了相关隐患排查工作。排查结果发现低压第21级叶轮叶根型线部位存在裂纹，且第24级、25级部分叶片损坏，对机组运行存在严重安全隐患。转子需返到汽轮机制造厂进行处理，同时需尽快处理完毕恢复机组运行，以满足热用户需求。因此，处理方案需首先满足机组运行的安全性、带热负荷能力及工期要求。

2 转子及缺陷情况简介

2.1 转子情况简介

存在缺陷的转子为中低压转子，共12级，编号为14～25级。14～19级叶轮是与大轴整体锻造而成的，20～25级叶轮为套装叶轮；第14～22级叶片为T形叶根，叶轮轮缘为反T形槽结构；第23、24级为叉形叶根，第25级为枞树形叶根，转子剖面示意图见图1。低压21～25级的叶片参数见表1。叶片 （14～20级）带有镶嵌的轮缘，叶片（21、22级）带有减震连接，24～25级叶片进口边缘有司太立硬质合金保护层。

表1 低压21～25级叶片参数特性

图1 低中压转子平面图

2.2 转子缺陷情况简介

低压转子主要缺陷：低压第21级叶轮槽存在裂纹；低压第24、25级（次末级、末级）动叶片碰伤。

2．2．1 第21级叶轮槽缺陷情况

第21级叶片共计110片，对叶轮轮缘反T形槽进行了常规超声波和相控阵超声波探伤检查，发现进、出汽侧反T形槽内壁外部端角整圈存在裂纹缺陷反射信号 （第21级叶轮轮缘反T形槽示意图及缺陷位置如图2所示），其中裂纹自身高度最大处位于叶片编号6～13位置（第21级叶片自编号如图3所示），裂纹自身高度约16 mm。

图2 第21级叶轮轮缘反T形槽及缺陷位置示意图

图3 第21级叶片自编号示意图

2．2．2 第24、25级动叶片损伤情况

第24级动叶片原设计方式为叉形叶根、叶身汽道穿2圈松拉筋结构，叶片上部进汽边焊有司太立硬质合金防水蚀保护层。该级叶片损坏相连的9只，所有损坏叶片损坏长度达到100～180 mm不等，宏观检查多个叶片损坏折弯处出现裂纹，入口边镶嵌的司太立合金片损坏。

第25级动叶片原设计方式为圆弧枞树形叶根、叶身汽道穿2圈松拉筋结构，叶片上部进汽边焊有司太立硬质合金防水蚀保护层。该级动叶片共损坏相连的17只，损坏叶片长度从叶顶起250～270 mm不等，已达到整个叶身的1/3；宏观检查多个叶片损坏折弯处出现裂纹，叶片拉筋变形严重，入口边镶嵌的司太立合金片脱落。

3 转子缺陷原因分析

从缺陷位置及缺陷情况分析，第21级叶轮T形槽裂纹主要原因如下：

（1）机组运行时叶片产生的离心力过大；

（2）叶轮T形槽尖角位置未倒角处理，产生集中应力；

（3）机组长期运行后产生应力疲劳。

第24级、25级部分叶片损坏的原因为意外碰伤。

4 转子缺陷处理方案

处理方案需首先满足机组运行的安全性、带热负荷能力及工期要求。由于机组为国外机组，国内无相应的设计资料、数据及叶片、叶轮等毛坯储备，所以处理方案比较特殊。

4.1 第21级叶轮槽缺陷处理方案

第21级为套装叶轮，位于转子中部。根据叶轮槽缺陷位置及材料情况，无法进行修复以满足强度要求；且由于是国外机组，国内无相应的原始资料和毛坯储备；在检修工期比较短的情况下，结合机组供热量大的运行特点，暂时只能采用去级运行方案，但需对相应级次强度等进行校核。

第21级整级叶片拆除后，在裂纹区以下一定高度整级对叶轮槽缺陷部位车削加工去除，运行时保留该级隔板。

为方便以后将该机组恢复至正常状态，将拆卸的叶片选2只完整未损伤的进行扫描测绘。

4.2 第24级（次末级）动叶片损坏处理方案

对于该级叶片最好的处理方式是采用新叶片将损坏叶片进行更换，但其是国外产出的机组，国内没有叶片数据和成品叶片，无法进行更换，故采取折中方案：将损伤叶片及其对称位置的叶片割除一定长度汽道的方式处理。 割除汽道前，拆卸一弧段的未损坏动叶片，挑选2只完整的未损伤叶片进行三维扫描测绘；根据测绘数据重塑该动叶模型，并进行振动特性核算（核算结果见表2），根据核算结果确定需割除的长度为190 mm，并且此时的叶片动频满足设计规范中对避开率的要求。最后将拆卸的动叶片复装，最终根据损坏情况及核算数据共处理18只叶片。

表2 第24级单只叶片动频核算结果单位：Hz

4.3 第25级 （末级）动叶损坏处理方案

对于该级叶片最好的处理方式是采用新叶片将损坏叶片进行更换，但其是国外产出的机组，国内没有叶片数据和成品叶片，无法进行更换；并且损坏叶片数量较多，故采取折中方案。采取沿叶根平台以上割除整级末级动叶的方式处理，运行时保留该级隔板。采取这种处理方式有以下两方面考虑：

（1）电厂基本常年处于抽汽工况运行，末级动叶片 （未损坏的情况下）在机组运行中做功很小。如果部分切除动叶，末级在运行中会发生鼓风效应。

（2）部分切除动叶，其割除数量也巨大，在机组运行中，还会带来不可预期的振动问题。

同时，为方便以后将该机组恢复至正常状态，在割除末级动叶前，拆卸2只完整的未损伤叶片进行扫描测绘，数据存档，在合适的时候重新加工该叶片。测绘后的叶片需要去掉叶身将叶根复装到叶轮上，消除机组运行时的轮槽鼓风。

5 处理方案核算

由于电厂工期紧张，同时是国外产出机组，短期内无法彻底修复该转子的损伤情况，此次临时处理后机组采取缺级（第21级动叶、末级动叶）运行状态，故需进行复核。

5.1 热力核算

原机组为带工业抽汽及采暖供热的双抽机组，低压第21级、第23级为旋转隔板级（7～8抽），级前分别为采暖上段抽汽位置和采暖下段抽汽位置。

机组原长期运行工况数据见表3。

表3 机组原长期运行工况数据

机组正常运行时采暖上、下段总共抽汽约60～70 t/h，高排 （四抽）约有223 t/h的抽汽量，五抽有厂用抽汽 （抽汽量未换算）。经核算，10#机组中低压转子缺陷处理后，可以在这种运行条件下稳定运行。

5.2 凝汽器核算

电厂提供机组凝汽器相关数据如表4所示。

表4 机组凝汽器相关数据

根据凝汽器数据，在不考虑堵管情况下保守核算，核算结果如表5所示。

表5 凝汽器核算结果

5.3 核算结论及运行建议

根据上述复核结果，机组中低压转子缺陷处理，运行时的结论及建议如下：

（a）中低压转子缺陷处理后在原长期运行工况（其运行数据见表3）可以运行。

（b）机组转子缺陷处理完投运后在其他参数工况运行时，需注意监视采暖上、下段抽汽压力和排入凝汽器流量，不允许在大进汽量、小抽汽量（采暖上段之前的其余各段抽汽）工况下运行。

（c）注意监视末级排汽温度，超过原机组给定的温度限制时，需要启用喷水减温装置对其进行降温。

（d）根据机组的凝汽器相关数据及校核结果，可以采用单台泵运行，适当提升背压，减小末级隔板压差。

（e）总体上，从安全性角度出发，该转子不宜长期运行，建议进行升级改造或恢复。

6 转子缺陷处理主要工作

转子缺陷处理主要工作见表6。

表6 转子缺陷处理主要工作

7 结论

（1）经过为期10天的紧急处理，机组中低压转子缺陷顺利处理完毕，转子高速不平衡量到达标准要求。

（2）在计划的工期内完成了中低压转子安全隐患的排查和处理，消除了机组安全运行的隐患。

（3）中低压转子缺陷处理后启机顺利，各项运行监控指标正常，保证了机组的热负荷输出。

（4）根据机组运行后情况表明，处理方案是成功的，对同类型事故处理具有一定的参考意义。

[1]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册:第二卷 汽轮机[M].北京:机械工业出版社,1998.

[2]吴厚钰.透平零件结构和强度计算[M].北京:机械工业出版社,1982.

Processing Methods of Impeller Crack and Blade Damage

Tong Wanjun， Liu Quan， He Shengguo
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK268

A

1674-9987（2017）03-0067-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.015

童万均 （1982-），男，工程师，现主要从事汽轮机的技术改造、修复及维护工作。