25MW 汽轮机断轴原因分析及修复方案

杨启尧，黄世刚

（瓮福（集团）有限责任公司，贵州 贵阳 550501）

1 汽轮机简介

该汽轮机为青岛某公司生产的CB25—3.43/1.61/0.6 型单轴、抽汽背压式汽轮机，机组TRL 为25MW。额定进汽压力为3.43MPa（绝压），额定抽汽压力为1.6MPa（绝压），额定转速为3000r/min，顺汽流方向为顺时针，机组为室内纵向顺列布置，运转层标高为7 米，主要参数见表1。汽轮机主要部件材料见表2。

表1

1.1 联锁跳停问题描述

2016 年1 月5 日01:50 机组联锁动作跳停，调查DCS记录发，现轴瓦振动值高报、主油泵压力迅速下降以及机组转速迅速下降为零（如图1）。

表2

图1 故障停车DCS 画面

机组联锁跳停前实际运行工况见表3。

表3

查 阅DCS 记 录2016 年12 月 至5 日1:50 断 轴 期 间 相关运行参数正常。2#轴瓦温度测点（TI-74200-2）最高为84.1℃，低于报警值（85℃），温度正常（如图2）。

图2 轴瓦温度趋势

图3 轴瓦振动趋势

汽轮机轴向位移最大为-0.228mm，低于轴向联锁动作值1.5mm。汽轮机前轴瓦（VI-75190）最高振值为21.54um，低于报警值50um（如图3 所示）。

2 断轴原因分析

2.1 断轴检查

拆卸发现汽轮机转子推力盘轴套处断裂（如图4)，该轴断裂部位为1#轴承（直径为ф250mm）与推力盘安装处（直径为ф150mm）轴肩结合部位，实际断口直径为ф150mm，断面至主油泵轴端长度为850mm（如图5）。

图4 轴断裂部分图片

图5 轴系示意图

2.2 轴断裂部位宏观分析

通过对图6 断面分析，轴断面光滑且存在锈蚀和沉积油污，仅边缘直径约15mm 断口为新断痕，根据断面显示大致分为三个阶段断裂并逐步扩展直至断裂，断面无明显塑性变形痕迹和断口存在疲劳裂纹扩展前沿线，符合疲劳断裂特征，均说明疲劳裂纹产生时间较长。断面中摩擦痕迹应为轴完全断裂后重启动时断口两侧摩擦造成。

查阅DCS 记录该机组于9 月20 日、10 月5 日和11 月16 日三次停车记录，且10月5 日发现油过滤器存在铁屑，与上述推理断面分为三个阶段断裂并逐步扩展吻合。

2.3 轴系设计缺陷

图6 断口面外观

疲劳裂纹产生原因与设计及机械加工过程缺陷有关。断口外观可见，轴圆周方向分布粗大切向加工痕迹，且裂纹和加工台阶高度重合，造成应力集中。裂纹沿圆周方向萌生（图7 黄色箭头所示大半圈均为裂纹萌生处），在多次扭矩共同作用使断面形成螺旋状台阶。最终断裂面积占比轴径总面积较小，说明该轴系传动扭矩很小。

经查阅DCS 记录，汽轮机因加负荷使机组轴瓦振动高报甚至跳停，故该汽轮发电机组长期处于低负荷（2000 ～6000KW）运行。当12 月3 日提升负荷至10000KW，负荷加大使已经产生裂纹轴在强度上无法承受更大输出扭矩而导致全部断裂。

图7 断口面外观

2.4 轴材料成分分析

该轴材料实测成分如表4，相当于国内牌号30CrMoV 或者34CrMoV，与德国34CrMo4 相当。含有足够导致合金化影响的金属钒，加入钒具有提高红硬性和细化晶粒作用。

2.5 端口面微观分析

对轴断面进行金相组织分析，其表面为回火索氏体（见图8），心部为铁素体+回火索氏体（图9）；金相组织无异常。

表4

图8 扫描电镜 200×

图9 扫描电镜1000×

对轴断表面及心部进行硬度检测，结果见表5。硬度检测结果结合金相组织观测结果，表明该轴热处理状态为淬火+高温回火。

对轴断口作SEM 观察，裂纹萌生于轴边缘，萌生区SEM图像有明显挤压痕迹（图10、11）。裂纹扩展区超声波清洗仍残留沉淀污染物（图12）；最后断裂区SEM 图像表现为典型韧窝形貌（图13）。

表5

图10 轴边缘裂纹萌生点

图11 裂纹萌生区挤压痕迹

图12 污染沉积物

图13 最后断裂为典型韧窝

3 断轴修复方案

汽轮机轴断裂后，新轴加工及安装需要时间较长，为及时恢复生产，经多种方案对比和反复论证，最终采用螺纹接轴方案，及将主油泵和断裂推力盘部份轴用M80 螺纹连接到主轴上（见图14）。

图14 断口面外观 200×

3.1 强度校核计算

首先，对断轴部分进行三维图：由模型得转动：I=3.41kgm2。

图15 三维建模图形

按传递最大扭矩进行计算，扭矩由升速产生扭矩和油泵负载产生扭矩两部分组成。计算式如下：

注：式中按5 秒升速到3000rpm 计算α 角加速度；油泵最大功率按20KW 取值。

3.2 轴螺纹连接校核

该方案是通过螺栓压紧面摩擦力传递扭矩，摩擦力使螺栓压紧产生正压力，故需按抗拉强度校核螺栓：

按表面粗糙度Ra0.4 查动摩擦因数为0.05（实际为静摩擦，为了取更大压力，按动摩擦计算）。

34CrMo 许 用 为835Mpa，（螺 纹M80×4 按 螺 栓 小 径76mm 计算。）

通过计算结论为M80×4，连接螺栓强度满足实际安全运行要求。实际安装时，该螺栓部位预紧力可按照5 倍最低要求值执行。

4 结语

本次断轴事故是典型低应力疲劳脆性断裂事故。主要诱因是轴设计加工缺陷，轴肩没有过渡圆角和明显切向加工痕迹，裂纹和加工台阶高度重合，造成应力集中。断口存在明显凹痕是应力集中导致裂纹扩展起始点，裂纹沿圆周逐步萌生，在扭矩和冲击等多因素作用使断面成螺旋状直至断裂。

汽轮发电机组接轴从2017 年1 月26 日起投入运行至今，各项振动和温度等运行指标平稳，无任何异常。