陳順青,于長江,毛志忠,唐海峰,李文彬

(1.國能河北滄東發(fā)電有限責任公司,河北 滄州 061003;2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

1 概述

某火電廠600 MW汽輪發(fā)電機組是C600-16.7/0.75/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、可調整抽汽凝汽式汽輪機。該機組共有4個高壓調節(jié)閥,在每個高壓調節(jié)閥閥體上焊接一塊金屬背板,背板上開有螺紋孔,通過螺栓將抱箍固定在背板上,繼而將LVDT固定在背板上,LVDT反饋桿與帶有萬向節(jié)的支架連接,支架又通過連接桿與高壓調節(jié)閥閥門門桿相連,如圖1所示。當閥門動作時,LVDT反饋桿隨閥門門桿上下移動,從而輸出與閥位變動量成一定線性關系的直流電壓信號,該機組LVDT反饋桿移動方向與閥門門桿移動方向一致。

圖1 高壓調節(jié)閥反饋裝置LVDT安裝形式

機組在運行過程中多次出現(xiàn)汽輪機高壓調節(jié)閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂的問題,導致機組負荷擾動以及1號、2號軸承轉子振動值突增,LVDT連接桿斷裂時機組具體運行情況如圖2所示。

圖2 LVDT連接桿斷裂時機組運行情況

2 故障原因分析

線性可變差動傳感器(Linear Variable Diff erential Transfor mer,LVDT)是汽輪機伺服系統(tǒng)中反饋調節(jié)閥開度的重要測量部件,對汽輪機的安全穩(wěn)定運行具有重要作用[1],由反饋桿和鎧裝套筒組成[2]。

如果LVDT測量信號不精確,將直接導致汽輪機閥門波動,進而導致機組負荷波動,嚴重影響機組及電網的安全運行[3]。高壓調節(jié)閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂后處置不當可能導致機組非停[4]。從機組安全可靠運行的角度考慮,通過斷口宏觀、化學成分及金相等方面分析,探究LVDT連接桿斷裂的具體原因。

2.1 斷口宏觀分析

觀察LVDT連接桿斷口,發(fā)現(xiàn)斷裂紋位置位于第一螺紋根部(圖3),該位置應力集中較大,同時也是受力最大的位置。對斷口進行宏觀分析,由圖4連接桿斷裂形貌可知斷口疲勞裂紋源中心、貝紋線明顯可見,可以判定該斷口是由疲勞應力作用下形成的斷口,即斷裂的原因為疲勞斷裂,具體斷裂方向由圖4右側斷口的上部向下發(fā)展最后發(fā)生斷裂,說明疲勞應力是單向彎曲疲勞振動所致。

圖3 LVDT連接桿斷裂位置

圖4 LVDT連接桿斷裂形貌

2.2 化學成分分析

對斷裂連接桿進行化學成分分析,具體化學成分見表1,從化學分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》對25Cr2 Mo V材料的要求。

表1 LVDT連接桿化學成分質量分數(shù)分析結果

2.3 金相分析

對斷裂連接桿螺紋剖面進行金相組織分析,如圖5所示,連接桿金相組織為正常的回火索氏體組織,未見異常組織。斷裂連接桿的螺紋根部未見加工缺口,如圖6所示,屬于正常的螺紋根部加工形貌。

圖5 斷裂連接桿金相組織

2.4 綜合分析

通過宏觀分析可知斷裂位置位于受力最大的第1螺紋位置,斷口具有疲勞斷裂特征。金相分析可知材料組織正常,不存在熱處理等熱加工工藝缺陷。從化學分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術導則》對25Cr2 Mo V材料的要求。

綜上分析,LVDT連接桿斷裂原因為,高壓調節(jié)閥及其反饋裝置在正常使用過程中存在較大振動,由于應力集中導致連接桿的第1螺紋位置產生疲勞開裂,在長時間的交變載荷作用下,裂紋逐漸向連接桿內部擴展直至最終撕裂。

3 處理措施及效果

由于機組運行期間高壓調節(jié)閥LVDT連接桿工作溫度在110℃左右(如果門桿噓汽嚴重,溫度還要高),而且存在頻繁的振動,無法開展常規(guī)的無損檢測。機組停運開展無損檢測時LVDT連接桿裂紋源很可能還未出現(xiàn),因此很難提前預測連接桿的斷裂時機。此外,由于高壓調節(jié)閥的預留螺紋孔形式已經無法改變,從而無法采取改變螺紋牙型及加大連接桿直徑的措施。鑒于以上情況,主要從降低高壓調節(jié)閥振動和改善連接桿力學性能2個方面著手處理。

3.1 汽輪機閥門流量特性優(yōu)化

由于設備檢修或長期運行等原因會造成DEH設定的閥門流量特性曲線偏離實際流量特性,此時就會出現(xiàn)諸如高壓調節(jié)汽門晃動,負荷振蕩。該火電廠通過對600 MW機組高壓調節(jié)閥閥門特性曲線綜合優(yōu)化后,一定程度上消除了由于閥門配汽不合理造成氣流激振引發(fā)的某負荷點閥門門桿振動大的問題,優(yōu)化后LVDT連接桿的振動幅度由965μm下降到26μm。

3.2 LVDT連接桿材料升級改進

從改善連接桿力學性能的角度出發(fā),可以選擇綜合性能優(yōu)良的高溫緊固螺栓鋼或者抗疲勞性能優(yōu)異的彈簧鋼,經過查閱相關文獻資料可知,20Cr1 Mo1 VTi B鋼通過添加釩、鈦等強碳化物形成元素來獲得細小穩(wěn)定的碳化物,并添加硼來強化晶界,能夠獲得良好的抗應力松馳性能[5],其作為一種新型珠光體高溫熱強鋼,具有良好的綜合性能,熱強性和松馳穩(wěn)定性遠超25Cr2 Mo V鋼,同時具有較低的缺口敏感性、較小的熱脆性傾向和出色的持久塑性,是作為LVDT連接桿材料升級改進的優(yōu)選材料,冷加工后的LVDT連接桿采用1 020～1 040℃油冷700～720℃回火6 h后空冷的熱處理工藝。

經過采取以上2項措施后,該火電廠600 MW汽輪機高壓調節(jié)閥反饋裝置LVDT連接桿已正常運行2年,未再出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,成功消除了存在的問題及隱患,提升了機組運行安全可靠性。

4 結束語

隨著電網調峰的頻次越來越高、幅度越來越大,大型火電機組負荷也隨之頻繁變化,汽輪機高壓調節(jié)閥也需要不斷進行調節(jié),在此過程中高壓調節(jié)閥受到高溫熱應力及由汽流對閥碟沖擊造成的機械應力作用,不可避免的產生高頻振動,繼而引發(fā)生LVDT及其附件(連接桿、支架、萬向節(jié))產生金屬疲勞斷裂或者磨損損壞。鑒于此種情況,為了保障機組運行的安全可靠性,需要火電廠檢修工作人員一方面加強機組運行期間LVDT及其附件的巡查頻次,及時發(fā)現(xiàn)設備隱患;另一方面,根據(jù)機組運行實際情況以及工作經驗確定合理的LVDT連接桿更換周期,避免其發(fā)生金屬疲勞斷裂。