脱硫增压风机叶片断裂分析及防范措施

刘红权，代 真，卢 伟，张 勇，钱 勇

(1.国电科学技术研究院，江苏 南京 210031;2.国电宿州发电有限公司，安徽 宿州 234000)

1 概况

某发电公司1号机组脱硫增压风机叶片于2009年12月16日和2010年11月09日接连发生两次断裂。该风机为成都某机械厂生产，设计流量2700000m3/h，全压 3400Pa，入口压力 10Pa，转速600r/min，100%负荷联轴器处功耗2870kW，叶片材质为16MnD。2009年12月16日叶片断裂时运行时间约1.7万h，2010年11月09日叶片断裂时运行时间约0.6万h。

2 检验结果与分析

2.1 宏观检验

对第一次断裂叶片进行宏观检查，可见断口位于距叶根约200mm处，断面基本与叶片轴线垂直，断口表面大部分齐平。裂源位于叶片内弧侧进汽边缘12～16mm左右，裂源生成后向背弧偏出汽侧方向扩展。断口大部分表面平整，呈细瓷状特征，断口前缘可见疲劳扩展的贝纹线。裂纹最后断裂区呈剪切唇，表面粗糙。

对第二次断裂叶片进行宏观检查，可见断口位于距叶根约120mm处，断面基本与叶片轴线垂直。裂源位于叶片内弧侧进汽边缘，裂源生成后向背弧偏出汽侧方向扩展。断口大部分表面平整，呈细瓷状特征，断口前缘可见疲劳扩展的沙滩纹。裂纹最后断裂区呈剪切唇，表面粗糙。

2.2 化学成分分析

采用ARL 3460直读光谱仪对断裂叶片试样及被断片打坏的叶片试样进行了化学成分分析，结果见表1。

表1 叶片的化学成分 %

参考《低温压力容器用低合金钢锻件》(JB 4727－2000)，根据表1结果，叶片的化学成分符合该标准对叶片用材料16MnD的相关标准要求。

2.3 力学性能检验

在断裂叶片及被打坏的叶片上分别制取常温拉伸试样和冲击试样，使用CMT5205电子万能试验机进行常温拉伸试验，使用JBG－300冲击试验机进行冲击试验，试验结果见表2。

由于未提供叶片材料相关标准，因此无法确定材料的力学性能是否符合要求。根据《低温压力容器用低合金钢锻件》(JB 4727－2000)，由表2可见，叶片的力学性能符合该标准对叶片用材料16MnD的相关标准要求。

2.4 金相检验

对断裂叶片及被打坏叶片进行了金相组织观察，断裂叶片和被打坏叶片金相组织均为铁素体+珠光体，珠光体分布不均匀，有一定的偏析。

2.5 扫描电镜检验

对第一次叶片断口进行扫描电镜观察，可见起裂区位于叶片内弧进汽侧边缘，表面平坦，表现为多源特征且多源同时扩展。此外，断裂源区未见明显组织缺陷。

对裂纹扩展区进行观察，可见裂纹扩展区前期表现为放射状形貌，存在分支裂纹，进一步观察可见疲劳扩展条纹。裂纹扩展区后期宏观可见明显的贝纹线区域，为典型疲劳特征。

2.6 检验结果分析

根据《低温压力容器用低合金钢锻件》(JB 4727－2000)，该叶片的化学成分和力学性能符合叶片用材料16MnD的相关要求。根据断口的宏观形貌观察结果，表明该断口属于疲劳断口，根据断裂源区的多源特征，推断该疲劳属于多源疲劳断裂。分析认为，增压风机叶片在工作过程中，由于各种因素的影响，尤其是共振，可能会造成过大的交变应力，长期反复作用导致叶片萌生疲劳裂纹。在随后运行过程中，裂纹在交变应力下不断扩展，当叶片有效承载面积不能继续承受外力时，叶片发生断裂。

该叶片的两次断裂均属于过大交变应力作用下的疲劳断裂。

3 防范措施

叶片的设计、制造、运行等环节中，都可能诱发较强振动尤其是共振，造成过大交变应力，导致叶片最终疲劳断裂。因此建议从设计、安装、运行等方面进行全面深入的分析并采取相应防范措施。

3.1 设计制造方面

设计制造方面应尽量提高叶片的制造质量、强度和共振避开率。结构设计要合理，强度设计中应充分考虑动荷载;叶片强度安全系数不够，叶片材质差;提高叶片铸造质量;提叶片高焊接、对焊接的外观和内部质量进行100%检验，消除所有的超标缺陷;选用合格的监测、保护附件。

3.2 安装方面

安装方面要避免应力过紧导致附加应力和过松或错位导致异常振动甚至共振;轴系平衡和联接要符合标准要求，防止风机振动大、轴承、联轴器易损坏;执行机构安装误差要符合标准要求，就地指示值与控制室反馈值要一致。

3.3 运行方面

运行方面应保障风道、GGH通畅等，减少GGH积垢堵塞和除雾器积垢，控制烟气系统阻力在规定范围内，防止风机失速、喘振，以减少叶片疲劳损伤、延长疲劳寿命。必须确保动叶实际角度与就地指示值及与控制室反馈值相一致;确保风机喘振保护正常投入;加强对电除尘器的管理，加强清灰，确保电除尘器运行正常，降低风机入口含尘浓度和灰粒尺寸，减少烟尘对风机叶片的磨损;运行人员应定期对GGH进行蒸汽吹扫，同时要保证GGH吹扫蒸汽的压力及温度不低于设计要求，从而保证吹扫效果，当GGH阻力超过设计值150%时，应对GGH进行在线的低压水及高压水冲洗，防止造成GGH堵塞，造成烟气阻力大、压差变化大而导致叶片疲劳断裂;运行人员应保证除雾器冲洗水系统的正常投入，控制冲洗压力、水量及冲洗周期，防止除雾器由于除雾效率差造成烟气中携带的一些细小的石膏颗粒进入GGH，长时间运行容易造成换热元件堵塞而造成增压风机出口阻力大;运行人员应严格监视GGH压差和除雾器前后压差，发现压差有问题及时联系热工对表计校对，保证运行中的正确判断，同时严格执行GGH和除雾器的吹扫及冲洗规定。

3.4 检修方面

加强对GGH吹灰器的维护，保证吹灰器的正常投运;加强对除雾器冲洗系统的维护，保证冲洗系统的正常投运，机组停机检修时，应检查冲洗喷嘴的磨损、脱落及堵塞情况，保证冲洗覆盖率在100% ～300%之间，防止出现冲洗盲区，降低除雾器冲洗效果，造成除雾器堵塞;利用机组停机检修机会，联系专业冲洗公司对GGH及除雾器进行彻底清洗。

［1］梁昌龙，赵晨明.湿法烟气脱硫 GGH换热元件结垢问题探讨［J］.电力环境保护，2009，25(4):38 －40.

［2］JB 4727－2000，低温压力容器用低合金刚锻件［S］.

［3］刘向东.湿法脱硫增压风机的运行控制作分析［J］.电力环境保护，2009，25(5):28－29.