吳雙輝

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

轉(zhuǎn)子是汽輪發(fā)電機(jī)的核心部件，轉(zhuǎn)子運(yùn)行的工況較為惡劣，在機(jī)組運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)3 000～3 600 r/min的過(guò)程中受到很大的離心力、電磁力和機(jī)械力，是汽輪發(fā)電機(jī)中受力最大的部件[1-2]。在以往轉(zhuǎn)子失效的統(tǒng)計(jì)中，疲勞是轉(zhuǎn)子失效的主要形式[3-4]。

某電廠600 MW等級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，汽端聯(lián)軸器通過(guò)熱套方式安裝在轉(zhuǎn)子外表面，并將冷卻的圓鍵打入圓鍵孔進(jìn)行固定。在機(jī)組試運(yùn)行期間，45天內(nèi)共起停機(jī)5次，結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸瓦軸振較大，并隨著轉(zhuǎn)速升高持續(xù)增大，最大振幅達(dá)到200 μm，已超出轉(zhuǎn)子允許振動(dòng)上限指標(biāo)(150 μm)。對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均正常，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子外表面套裝聯(lián)軸器端部存在兩條明顯的裂紋。對(duì)聯(lián)軸器背部進(jìn)行滲透探傷，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器背部和轉(zhuǎn)子外表面存在多處裂紋，見(jiàn)圖1。裂紋的出現(xiàn)已嚴(yán)重危及機(jī)組的安全運(yùn)行，為找出裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效分析。

圖1 轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器失效實(shí)物及裂紋分布

1 理化檢驗(yàn)與分析

1.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子材質(zhì)均為25Cr2Ni4MoV，經(jīng)檢測(cè)，聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子實(shí)測(cè)化學(xué)成分及力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，見(jiàn)表1和表2。

表1 聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子的化學(xué)成分 單位：wt%

表2 聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子力學(xué)性能

1.2 金相組織

聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子本體金相組織均為回火索氏體，轉(zhuǎn)子晶粒度等級(jí)為7級(jí)，均為正常組織且滿足技術(shù)要求(轉(zhuǎn)子技術(shù)要求：組織為回火索氏體，晶粒度不粗于ASTM標(biāo)準(zhǔn)的5級(jí))，見(jiàn)圖2。

圖2 聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)子金相組織

1.3 斷口分析

1.3.1 聯(lián)軸器斷口宏微觀分析

對(duì)聯(lián)軸器裂紋進(jìn)行宏觀斷口分析，見(jiàn)圖3，裂紋從聯(lián)軸器內(nèi)表面起裂，起裂源位于圓鍵孔頂部聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)子接觸面軸向尺寸最窄處，該處寬度約為3 mm，斷口表面上有明顯的放射狀棱線(圖3b)，裂紋沿徑向方向擴(kuò)展到15 mm后出現(xiàn)明顯的分叉，向左右兩個(gè)方向擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與軸向約呈30°，斷口表面(Ⅱ區(qū))可觀察到明顯的撕裂痕跡(圖3c)。

圖3 聯(lián)軸器裂紋宏觀形貌

對(duì)聯(lián)軸器裂紋進(jìn)行微觀斷口分析，裂紋源區(qū)光滑平坦，局部位置可觀察到韌窩、孔洞斷口形貌(Ⅰ區(qū))， 擴(kuò)展區(qū)(Ⅱ區(qū))可觀察到韌窩、孔洞和疲勞條帶特征，見(jiàn)圖4。起裂處的韌窩特征說(shuō)明該部位應(yīng)力水平較高，表明聯(lián)軸器斷口為低周疲勞斷口。

圖4 聯(lián)軸器裂紋微觀形貌

1.3.2 轉(zhuǎn)子斷口宏微觀分析

對(duì)轉(zhuǎn)子裂紋進(jìn)行宏觀斷口分析，見(jiàn)圖5，裂紋徑向深度最大，深度約200 mm，裂紋擴(kuò)展方向與軸向方向呈45°，肉眼觀察斷口表面非常光滑，起裂源位于圓鍵孔頂部轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器接觸面軸向尺寸最窄處(Ⅰ區(qū))，擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞弧線和臺(tái)階狀撕裂特征(Ⅱ區(qū))。

圖5 轉(zhuǎn)子裂紋宏觀形貌

對(duì)轉(zhuǎn)子裂紋進(jìn)行微觀斷口分析，見(jiàn)圖6，裂紋源表面光滑平坦，并呈現(xiàn)多源開(kāi)裂特征，源區(qū)附近存在小臺(tái)階，擴(kuò)展區(qū)可觀察到細(xì)密的疲勞條帶特征。轉(zhuǎn)子微觀斷口疲勞條帶相對(duì)于聯(lián)軸器斷口疲勞條帶更為細(xì)密，且擴(kuò)展區(qū)未觀察到韌窩特征說(shuō)明該部位應(yīng)力水平較低，表明轉(zhuǎn)子斷口為高周疲勞斷口。

圖6 轉(zhuǎn)子裂紋微觀形貌

2 斷裂原因分析

2.1 裂紋源的萌生分析

在聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子圓鍵孔頂部接觸表面的整個(gè)圓周方向上均可觀察到黑褐色條帶，表面粗糙并出現(xiàn)淺坑，見(jiàn)圖7。對(duì)黑褐色區(qū)域和淺坑區(qū)域進(jìn)行能譜分析，見(jiàn)圖8和表3，可以看出黑褐色區(qū)域主要含F(xiàn)e、Cr、Ni、O的氧化物，淺坑區(qū)域接近原材料本身成分，檢驗(yàn)結(jié)果中不含Cl、K、Na等元素，可排除腐蝕方面因素。

圖7 轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器表面黑褐色條帶

圖8 能譜分析位置

表3 能譜分析結(jié)果 單位：wt%

聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子接觸表面的黑褐色氧化物一般情況下應(yīng)在較高的溫度下才會(huì)產(chǎn)生，而在正常條件下聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子接觸表面是靜止的，不會(huì)出現(xiàn)高溫條件，但如果沿切向存在一個(gè)較大的交變扭振力，聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子之間會(huì)發(fā)生微小的往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的滑動(dòng)摩擦力，繼而產(chǎn)生的高溫環(huán)境使材料發(fā)生氧化。觀察到的黑褐色氧化物均呈圓周方向分布，說(shuō)明聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子圓鍵孔頂部的接觸表面確實(shí)存在滑動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在摩擦學(xué)領(lǐng)域被定義為“微動(dòng)磨損”[5]。

“微動(dòng)磨損”除了產(chǎn)生局部高溫，還會(huì)產(chǎn)生氧化磨屑。由于接觸表面不暴露，磨屑溢出接觸表面會(huì)沿與運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向堆積，高溫環(huán)境下磨屑產(chǎn)生類(lèi)似點(diǎn)焊的效果。停機(jī)冷卻再啟機(jī)過(guò)程中，在扭振力作用下焊點(diǎn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生微裂紋，微裂紋聚集長(zhǎng)大會(huì)形成片狀磨屑脫落變成潛在的裂紋源。

在轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器接觸表面宏觀上可觀察到的凸起、凹陷、溝槽、局部變形等微動(dòng)磨損宏觀形貌特征，微觀上可觀察到拉鏈狀、指甲形、圓球或圓柱狀等微動(dòng)磨損微觀形貌特征見(jiàn)圖9～圖10。由此印證了聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子接觸表面裂紋的萌生是由于微動(dòng)磨損造成的，而發(fā)生微動(dòng)磨損除了受到過(guò)盈配合力作用之外，還必然存在沿切向方向較大的交變扭振力作用。

圖9 聯(lián)軸器接觸表面微觀形貌

圖10 轉(zhuǎn)子接觸表面微觀形貌

2.2 運(yùn)行工況分析

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組試運(yùn)行調(diào)試過(guò)程記錄分析，機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)過(guò)程中軸振均小于60 μm，未發(fā)現(xiàn)軸振異常的現(xiàn)象，隨后機(jī)組按“孤網(wǎng)運(yùn)行”進(jìn)行調(diào)試，初始階段機(jī)組帶100 MW負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行汽輪機(jī)超速試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)異常，但將機(jī)組負(fù)荷增加到330 MW試運(yùn)行2天后，發(fā)現(xiàn)軸振超標(biāo)維持在150 μm左右。為確認(rèn)軸振超標(biāo)是否是“孤網(wǎng)運(yùn)行”造成的，采用“臨時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行”的方式帶負(fù)荷試驗(yàn)，軸振異常情況仍然存在。因此，認(rèn)為“孤網(wǎng)運(yùn)行”是產(chǎn)生較大的交變扭振力的主要原因[6]。

2.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分析

雖然聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)熱套過(guò)盈配合后在圓鍵孔頂部產(chǎn)生應(yīng)力集中，但以往300 MW、600 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子均采用的此種熱套結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工藝成熟，未出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的失效情況。因此，聯(lián)軸器過(guò)盈配合的設(shè)計(jì)不是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)失效的直接原因。

3 結(jié)論及改進(jìn)措施

(1) 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在“孤網(wǎng)運(yùn)行”產(chǎn)生的交變扭振力和聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)子的過(guò)盈配合力的共同作用下發(fā)生“微動(dòng)磨損”而萌生裂紋，萌生的裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)失效。

(2) 為避免以后出現(xiàn)類(lèi)似轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)失效破壞的情況，建議增加抑制次同步諧振的裝置(如附加勵(lì)磁阻尼裝置等)減少轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)承受的交變扭振力，也可將轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)改為整鍛結(jié)構(gòu)，提高抗扭振破壞能力。