曾大海，宋圣歡

（1.四川空分集團(tuán)工程有限公司，四川成都 610499；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

1 引言

節(jié)能減排是我國實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、信息化推動低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措，亦是“十三五”期間工業(yè)發(fā)展中的重大戰(zhàn)略性任務(wù)，國家逐年對煤炭等一次能源消耗總量的嚴(yán)苛限制，使得城市鋼廠的節(jié)能減排任務(wù)異常艱巨。高爐煉鐵產(chǎn)生大量副產(chǎn)品高爐煤氣，具備較高的含碳量，直接排放將會引起大氣污染，同時也具備一定的熱值，可作為氣體燃料。CCPP機(jī)組是利用高爐煤氣作為主要燃料，同時參混一定量的焦?fàn)t煤氣，煤氣燃燒產(chǎn)生熱量推動燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等轉(zhuǎn)動機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。因此，CCPP機(jī)組肩負(fù)著平衡企業(yè)高爐煤氣放散率以及保證發(fā)電量、減少公司倒供電的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)雙重指標(biāo)任務(wù)。確保發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定、高效運(yùn)行至關(guān)重要。

高爐煤氣壓縮機(jī)是CCPP發(fā)電機(jī)組煤氣供給系統(tǒng)的主要設(shè)備，高爐煤氣壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子葉片材質(zhì)缺陷、機(jī)組振動異常等造成壓縮機(jī)故障[5，7]，從而影響機(jī)組的正常運(yùn)行。近幾年發(fā)生多起高爐煤氣壓縮機(jī)葉片斷裂事故，均造成發(fā)電機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文對CCPP機(jī)組低壓煤氣壓縮機(jī)葉片斷裂事故原因進(jìn)行了簡要分析，并結(jié)合現(xiàn)狀提出針對性地預(yù)防改進(jìn)措施。

2 煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

CCPP機(jī)組主要由煤氣供給系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)五大組成，該煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)原理圖如圖1所示。

圖1 煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)原理圖

CCPP工藝流程：1/2號機(jī)輔助蒸汽推動蒸汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過齒輪箱變速后帶動高、低壓煤壓機(jī)壓縮、空壓機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。起初利用空壓機(jī)吹掃燃燒室，當(dāng)具備點(diǎn)火條件時，煤壓機(jī)將除塵加熱的高爐煤氣輸送至燃燒室，與壓縮空氣混合燃燒，將熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能推動燃?xì)廨啓C(jī)做功；燃?xì)廨啓C(jī)做功的排汽進(jìn)入余熱鍋爐，加熱高、中、低壓汽包的給水產(chǎn)生高品質(zhì)的蒸汽，汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能做功，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)組完成機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電。所有轉(zhuǎn)動設(shè)備同軸連接，空壓機(jī)、高、低壓煤壓機(jī)直接利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械能驅(qū)動，轉(zhuǎn)換效率高。

3 低壓煤氣壓縮機(jī)葉片斷裂原因分析

3.1 低壓煤氣壓縮機(jī)概況

該CCPP機(jī)組用高爐煤氣壓縮機(jī)采用離心式和軸流式兩級串聯(lián)運(yùn)行，低壓煤氣壓縮機(jī)為MAN公司制造靜葉角度可調(diào)、轉(zhuǎn)子葉片15級組成的軸流式壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)進(jìn)/出口溫度：35/235 ℃；設(shè)計(jì)進(jìn)/出口壓力：0.107/0.6 MPa；容積流量：403000 m3/h。轉(zhuǎn)子葉片、承缸靜葉片均采用具備良好的力學(xué)性能和抗氧化腐蝕性能的2Cr13馬氏體型不銹鋼材料[2]，該材料也被廣泛用于制造汽輪機(jī)葉片、大型軸流式壓縮機(jī)葉片等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的構(gòu)配件[1]。

低壓煤氣壓縮機(jī)自CCPP機(jī)組投產(chǎn)以來，多次停機(jī)檢修時在壓縮機(jī)出口煤氣管道檢查到低壓煤氣壓縮機(jī)斷裂葉片碎片，不得不對壓縮機(jī)開缸檢查、確認(rèn)，并同步對后續(xù)轉(zhuǎn)動設(shè)備高壓煤氣壓縮機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)葉片進(jìn)行檢查。尤其是2012～2018年，低壓煤氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生頻繁斷裂，或者葉片檢測出裂紋，嚴(yán)重影響了電力生產(chǎn)。

分析低壓煤氣壓縮機(jī)歷次葉片斷裂的原因，均因葉片材質(zhì)疲勞所致，主要是在機(jī)組運(yùn)行期間壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子及葉片等部件承受交變載荷引起材料疲勞[8]。尤其是第5級、第12級葉片分別出現(xiàn)缺陷次數(shù)達(dá)到4次、3次，為缺陷較為集中的級數(shù)。

然而，2017年低壓煤氣壓縮機(jī)更換了全新的轉(zhuǎn)子葉片，運(yùn)行3個月后第5級轉(zhuǎn)子動葉片斷裂1片；2018年全新動葉片上級運(yùn)行約45天，12級轉(zhuǎn)子葉片斷裂1片，13級轉(zhuǎn)子葉片斷裂3片，14級轉(zhuǎn)子葉片斷裂1片，均為全新葉片。

3.2 低壓煤壓機(jī)葉片斷裂原因分析

3.2.1 低壓煤壓機(jī)葉片斷裂基本情況

低壓煤氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子于2018年B級檢修上機(jī)，采用全新的動、靜葉片，且針對2017年葉片斷裂的原因進(jìn)行了如下改進(jìn)：其一，第5～9級的動葉形面采用噴丸強(qiáng)化處理+熱噴涂防腐處理，第1～9級的動葉縱樹根部位采用噴丸強(qiáng)化處理，以延長葉片抗疲勞壽命；其二，轉(zhuǎn)子修復(fù)中，根據(jù)煤壓機(jī)動葉片設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算，在不影響機(jī)組性能參數(shù)下，對單片動葉片進(jìn)行了必要的頻率修正，對動葉片激振頻率進(jìn)入或靠近共振頻率區(qū)域的，也做了修形優(yōu)化處理，以提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

CCPP機(jī)組運(yùn)行期間因低壓煤氣壓縮機(jī)出口流量、壓力下降，高、低壓煤氣壓縮機(jī)防喘閥動作，導(dǎo)致煤氣供給量不足，燃燒室全火焰喪失引起機(jī)組脫扣。通過分析故障發(fā)生時壓縮機(jī)運(yùn)行曲線及介質(zhì)流量特性、振動特點(diǎn)等，判斷低壓煤氣壓縮機(jī)葉片斷裂。開缸檢查，發(fā)現(xiàn)11～15級動、靜葉片損壞嚴(yán)重，其中動葉12、13、14級分別斷裂1片、3片、1片，斷口圖片如圖2所示。

圖2 葉片斷裂斷口

3.2.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T8732-2014汽輪機(jī)葉片用鋼規(guī)范，對斷裂葉片12級、13-3、14級取樣分析，化學(xué)成分檢測顯示，葉片材質(zhì)均符合2Cr13各合金元素含量，結(jié)果如表1所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

經(jīng)對比國家標(biāo)準(zhǔn)及歷史檢測記錄分析，試驗(yàn)葉片材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.3 力學(xué)性能檢查及金相組織分析

依據(jù)GB/T8732-2014汽輪機(jī)葉片用鋼規(guī)范，對12、13、14級斷裂葉片（2Cr13）進(jìn)行力學(xué)性能分析，因斷裂結(jié)構(gòu)特征所限，僅針對性地分析沖擊功及硬度2個重要的指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 主要力學(xué)性能分析結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)葉片的沖擊功和硬度兩項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對第13級斷裂葉片的過渡弧部位取樣做金相組織分析，葉片最終的組織狀態(tài)顯示為回火索氏體，符合該材料的調(diào)質(zhì)處理要求，且夾雜物總量符合標(biāo)準(zhǔn)要求[3，4]。

3.2.4 宏觀斷口分析

針對第12級、13級、14級轉(zhuǎn)子葉片的斷裂葉片進(jìn)行斷口宏觀分析，如圖3所示。

從圖3可以看出，葉片的斷口均發(fā)生在葉根榫槽出，此處為葉片集中受力區(qū)域[6]。第12級斷裂葉片為后櫞起裂的高周疲勞；第13級3片分別為后櫞起裂、背弧中點(diǎn)起裂、后櫞與背弧中點(diǎn)共同起裂3種情況的高周疲勞；第14級斷裂葉片為外物損傷斷裂，為第12、13級斷裂葉片碎片撞擊所致，表現(xiàn)為韌性斷口。

圖中斷裂葉片葉根呈藍(lán)色，檢查第12-15級隔葉塊也呈現(xiàn)發(fā)藍(lán)的情況，然而CCPP機(jī)組低壓煤氣壓縮機(jī)煤氣出口溫度設(shè)計(jì)值為235 ℃，最大允許溫度為255 ℃，運(yùn)行時溫度低于245 ℃左右，不足以導(dǎo)致葉片葉根和隔葉塊發(fā)藍(lán)，尤其是運(yùn)行時間只有45天。因此，認(rèn)為發(fā)藍(lán)情況的原因之一是葉片在裝配完成后未鎖緊，致使轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)、葉片受交變載荷，葉根與隔葉塊相互摩擦產(chǎn)生的高溫所致。

3.2.5 斷口微觀分析

以13-1斷裂葉片為樣本對其斷口進(jìn)行微觀分析，圖4為斷裂葉片的微觀形貌。從4張圖分別可以看出，其斷裂源未發(fā)現(xiàn)明顯材料缺陷，背散射電子相顯示涂層與基體出現(xiàn)了龜裂，而未裂部分結(jié)合較好，低倍即表現(xiàn)出明顯的疲勞弧線。

3.2.6 頻率分析

考慮葉片固有頻率對機(jī)組運(yùn)行期間可能造成振動異常而使葉片損壞，2017年由制造廠家對轉(zhuǎn)子動葉片進(jìn)行模型分析，對原有葉片進(jìn)行細(xì)微修正。通過對改型前后振動頻率避開率的對比，可以得出，葉片的改型使得現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片第4、9-12、14-15級動葉片避開率得到改善，符合相關(guān)規(guī)定的范圍。但第8級S1的避開率為4%～7%，避開率較小；13級動葉S1的避開率僅為0.1%～1.4%，頻率無法避開，因此，理論上第8、13級葉片存在S1共振的可能。

按照軸流式壓縮機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范可知，當(dāng)葉片的固有頻率無法完全避開時，葉片的彎曲應(yīng)力將超標(biāo)。

4 低壓煤氣壓縮機(jī)葉片斷裂原因匯總及預(yù)防措施

4.1 低壓煤壓機(jī)斷裂原因

通過對斷裂葉片的理化性能、斷口特性及轉(zhuǎn)子葉片振動特性的分析，低壓煤氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂有以下原因綜合所致：

（1）壓縮機(jī)介質(zhì)因素：低壓煤氣壓縮機(jī)工作介質(zhì)為高爐煤氣（BFG），煤氣介質(zhì)因含有S、Cl等腐蝕性微量元素，致使在一定的條件下葉片材料的疲勞極限相比空氣會更小，導(dǎo)致葉片斷裂的應(yīng)力會更小。

（2）葉片固有頻率因素：原設(shè)計(jì)葉片第4級、第8-15級動葉片頻率避開率不足，存在共振可能；對轉(zhuǎn)子葉片修頻后第8級頻率S1避開率不足，第13級完全不能避開，致使葉片發(fā)生S1共振、動應(yīng)力超標(biāo)。

（3）裝配因素：轉(zhuǎn)子葉片、隔葉塊裝配時未鎖緊，致使轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在相互摩擦，亦會影響葉片的振動特性。

（4）運(yùn)行中葉片受力因素：機(jī)組運(yùn)行過程中防喘閥動作，導(dǎo)致葉片受氣流瞬間沖擊力，將會加速葉片的疲勞損壞；在機(jī)組啟動過程中，機(jī)組在通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時將會產(chǎn)生共振，從而造成對葉片的壽命影響，尤其是機(jī)組多次頻繁啟動，影響更為嚴(yán)重。

4.2 預(yù)防措施

（1）因高爐煤氣含有S、Cl等腐蝕性微量元素，因此，可考慮5、6、7、8、11、12、13、14、15級共9級動葉材料采用0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4），提高抗疲勞強(qiáng)度，尤其是加強(qiáng)應(yīng)力集中的葉根榫槽處抗疲勞強(qiáng)度，其余動葉材質(zhì)不變。

圖3 第12、13、14級斷裂葉片斷口圖片

圖4 斷裂葉片13-1端口微觀形貌

（2）為了提高低壓煤氣壓縮機(jī)葉片具備更好地抗腐蝕性，動、靜葉片均采用了超音速等離子噴涂防腐層，尤其是本次噴涂，防腐層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了250～300 μm的設(shè)計(jì)值，局部位置厚度達(dá)到500～700 μm，防腐層與葉片表面的接觸緊密度亦值得考究，這兩項(xiàng)均將改變?nèi)~片的固有頻率，從而導(dǎo)致共振的發(fā)生；加之考慮到葉片修型后仍然無法避開共振區(qū)間，建議葉片不再使用防腐層，恢復(fù)葉片至MAN原始設(shè)計(jì)葉型。

（3）加強(qiáng)運(yùn)行技能水平、提升設(shè)備管理能力，減少因機(jī)組非停造成氣流對低壓煤壓機(jī)葉片的沖擊，進(jìn)而減少因工況變化時葉片承受的交變應(yīng)力使葉片局部高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力集中而萌生微裂紋的幾率；在機(jī)組啟動過程中，快速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，以盡可能縮短共振時間；考慮到BFG熱值低及熱值變化的特性，建議修正低壓煤壓機(jī)喘振曲線，防止機(jī)組運(yùn)行時因BFG熱值變化導(dǎo)致流量突變而引發(fā)的喘振。

5 結(jié)論

通過化學(xué)、力學(xué)性能分析，結(jié)合微觀、宏觀分析，低壓煤壓機(jī)葉片斷裂為葉片自振頻率的激勵共振避開率不足、葉片防腐涂層以及葉片裝配等綜合因素造成葉片的疲勞斷裂，煤氣介質(zhì)下葉片材料的疲勞極限相比空氣會更小，亦是誘發(fā)葉片疲勞斷裂的原因之一。

加強(qiáng)對裝配的管理，采用抗疲勞強(qiáng)度更強(qiáng)的材料或者針對性提高應(yīng)力集中部位，剔除因葉片防腐涂層引發(fā)葉片振動特性改變的因素，加強(qiáng)設(shè)備的管控是目前可以采取的可行預(yù)防措施。