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一次风机主轴断裂原因分析及处理

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公司新闻
发布时间:
2019/12/17 08:58
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0  引言

  锅炉一次风机是火力发电厂的重要辅机,它的安全可靠性直接关系到电厂的安全经济运行。某电厂 200MW 机组锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的,配有两台 FAF18-9-1 型轴流送风机、两台 T4-62AZ/1790 型双吸离心引风机、两台 2118B/91.6 型离心一次风机。自 2003 年 4 月投产以来,一次风机 B 发生过多次事故, 2003 年 11 月,轴承烧坏, 2010 年 4 月,主电机损坏跳闸, 2010 年 12 月 26 日,主轴断裂, 2011 年 1 月 21 日,主轴再次断裂。后两次事故相隔不到一个月,严重影响了机组的负荷,威胁到机组的安全稳定运行。

1 一次风机设备概况

2118B/91.6 型离心一次风机为单吸双支撑离心式风机, 2002 年 6 月由上海鼓风机厂制造的。主要由机壳、进气箱、进风口部、转子组、叶轮部、轴承箱部及进出口膨胀节等组成。其主要特性参数见表 1 。

 1 一次风机的主要特性参数

 

项目流量/(m 3 /s )

参数 
38.5 ( T.B ) /27.15 ( BMCR )

压力 /Pa

14347 ( T.B ) /11398 ( BMCR )

转速 /(r/min)

1480

叶片数量 / 片

10 (材质为 15MnV )

叶片外径 /mm

1936

叶轮总重 /kg

825

主轴材质

45#

主轴最大直径 /mm

210

主轴总长 /mm

2861

主轴总重量 /kg

608

支承

滚动轴承 2 个(型号 22224EASMC3 )

润滑油

N46 汽轮机油

电动机功率 /kW

710

最大起吊重量 /t

6

 

2 主轴断裂事故

2.1 第一次断轴事故

  2010 年 12 月 26 日 2 时 50 分,机组负荷由 150MW 增至 180MW ,一次风机 B 前轴承温度从 23 ℃升至 30 ℃; 3 时 07 分,一次风机 B 电流瞬间由正常的 70A 升至 103A ,之后又快速下降到 73A 左右,此时前轴承温度由 33 ℃开始快速上升,其它参数如发电机功率、一次风压及一次风机导叶位置等均无变化; 3 时 08 分,集控室光字牌显示“一次风机跳闸”信号, CRT 监控画面显示轴承温度高报警,前轴承温度升至 189 ℃,运行人员随即将一次风机的自动调节切换为手动调节,增大一次风机 A 出力、降低一次风机 B 出力,使一次风机 B 出口压力保持在 10kPa 左右; 3 时 16 分,运行人员紧急停一次风机 B , RB 减负荷至 100MW 。现场检查发现:①主轴断裂;②前轴承箱上下盖螺栓松动;③油封受损;④轴承烧坏。

2.2 第二次断轴事故

  2011 年 1 月 21 日 2 时,机组负荷 150MW ,一次风机 B 电流 68.8A ,风机前轴承温度 25 ℃左右; 2 时 22 分,一次风机 B 前轴承温度从 25 ℃逐渐上升; 2 时 36 分,一次风机 B 前轴承温度升至 39 ℃;电流出现波动,从 68A 升至 79A ; 2 时 38 分,一次风机 B 前轴承温度升至 116 ℃;电流剧增;随后,运行人员听到室外传来较大响声,同时集控室光字牌显示“一次风机故障跳闸”报警、 RB 动作,调整机组各参数至正常,机组负荷减至 95MW 。现场检查发现:①主轴断裂;②轴承箱上下盖连接螺栓全部断开,轴承箱上盖飞出,地脚螺栓松脱,油封受损;③轴承烧坏,内圈烧熔粘在轴上;④电机 4 个地脚螺丝拉断,电机偏斜;⑤电机接线盒内三相高压绝缘瓷瓶全部拉断;⑥电机冷风器顶盖被甩出;⑦电机转子轴伸端冷却风扇叶片弯曲变形。

3 主轴断裂的原因分析

3.1 基本理论分析

  轴一般是作为传递力的构件,通常它承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷,在一些机构中轴也承受拉压载荷。轴在工作过程中可以因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂,但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。扭转疲劳破坏起始于剪切,不是横向剪切应力创始裂纹,就是纵向剪切应力创始裂纹,然后由于拉应力而延伸。扭转疲劳断口通常有“台阶式”、“星形”和“剥皮” 3 种。“台阶式”断口是一种正断剪切的混合型扭转疲劳断口,破断时始于纵向剪切平面,接着裂纹与起源点呈 45 °方向扩展,然后再一次在剪切面上纵向发展,最后导致断裂 [1] 。

3.2 断裂的位置

  两次断裂的位置不同,第一次断裂点位于前轴承中间位置,第二次断裂点位于主轴前端变径位置。

3.3 断口宏观分析

  第一次主轴断裂,联轴器未受到破坏,在电机停止转动前,两截断轴发生相对运动,断点不停地受到摩擦,使得断口破坏。第二次主轴断裂,断口清晰,断裂的起始部位在轴表面,呈“剥皮”状,断裂面与轴向约呈 45 °,断裂面上具有与电机转动方向相同的渐近线特征,具有在扭转载荷作用下的断裂特征。

3.4 原因分析

  2010 年 4 月 5 日,一次风机 B 电机故障,更换相同型号的电机,运行至 2010 年 12 月 26 日,主轴发生第一次断裂,更换备用新轴后,运行不到一个月,再次发生断裂事故,更换了新轴和已修复的原配套电机,运行至今,该风机的各运行参数稳定,无异常。由于更换电机后,相继发生两次断轴事故,于是对电机的各项技术参数重新对比分析,发现原因所在。电机故障后更换的电机与风机原配套电机的参数对照见表 2 。由表 2 可以看出,两电机的额定电流和额定转速不一致,由电机扭矩计算公式 Te=9549Pe/n 可以看出,电机输出扭矩与转速成反比,因此,风机原配套电机的输出扭矩大于电机故障时所更换电机的输出扭矩,转矩是反映电机带负载的能力,如果电机转矩太小,就带不动负载。风机转子质量是恒定的,所以阻转矩是恒定的。原配套电机是经过设计选择的,与风机阻转矩相匹配。而后更换的电机转矩小,使得电机转矩与风机阻转矩不匹配,在较高转速下,使得整个风机主轴承受较大的扭转应力,在这种扭转应力作用下,主轴承受应力能力小的点就会产生裂纹,导致断轴。第一次断轴点为 2003 年烧轴承位置,高温破坏了此点的金相组织,使之承受应力能力变小,发生断裂。第二次断轴点发生在变径处,由直径 φ 210 变小为φ 110 的位置,经验表明,主轴的变径点是最易断裂的位置。

表 2 电机故障后更换的电机与原配套电机的参数对照

项目

风机原配套电机

电机故障后更换的电机

型号

YKK450-4

YKK450-4

额定功率 P e /kW

710

710

额定电流 I e /A

80.3

79.5

额定电压 U e /kV

6

6

额定转速 n / ( r/min )

1479

1490

生产厂家

上海电机厂

上海电机厂

生产日期

2002 年 6 月

1999 年 3 月

4 处理方法

4.1 第一次断轴处理

  第一次断轴事故后,锅炉投油稳燃,机组减负荷运行。检修人员立即组织抢修。

  ( 1 ) 主要备件准备:主轴 1 条, 22224EASMC3 型轴承 2 个,油封 3 套。

  ( 2 ) 拆卸解体:拆卸联轴器螺栓,吊离电机,拆卸轴承箱上盖及冷却水管,在进口挡板前切割高约 500mm 进口一次风管,拆卸机壳蜗壳连接螺栓,吊出机壳至检修地面,吊出风机转子,做好标记,拆出叶轮。

  ( 3 ) 叶轮装配过程:备件主轴法兰未钻孔,将叶轮与新轴运至机械厂,将主轴与叶轮配合好后点焊固定,钻取安装孔,按原来标记回装叶轮与轴法兰连接螺栓。

  ( 4 ) 回装过程:用热装法安装轴承及半联轴器;将新的油封装入轴承箱槽内;将转子就位;清洗轴承、回装轴承箱上盖,并上紧连接螺栓;轴承箱加润滑油至适当油位;机壳回装上紧螺栓;电机就位,安装联轴器螺栓,中心找正。

4.2 第二次断轴后处理

  第二次断轴对风机的破坏较为严重,由于两次断轴时间间隔短,无库存主轴备件。两种方案可供选择,方案一,厂家供货,但无现货,生产周期需 1 个月;方案二,机械厂加工生产,供货期 8 天左右,但无主轴零件图,需将两截断轴吻合后实测,误差较大。断轴事故发生后,急需恢复风机正常运行,减负荷且燃油运行,从机组安全稳定运行和经济性角度考虑,选择方案二。轴承箱损坏严重,厂家有现货供给。这次处理较前一次不同的是:①更换的新主轴是由实际测绘加工而成的;②更换了两个主轴承箱;③风机原配套电机已修复备用,将电机更换为原配套电机。④恢复轴承箱振动热工保护。

5 结论

  ( 1 ) 两次断轴事故,机组负荷减半且投油稳燃,经济损失严重。一次风机单边运行,极大地影响机组可靠稳定运行。

  ( 2 ) 主轴两次断裂是扭转疲劳剪切断裂,主要原因是更换型号相同而忽略参数不同的电机,与风机不匹配,使主轴承受较大的扭转应力。

  ( 3 ) 对备件轴应经过严格的金属检测,能很好地预防因为轴本身缺陷引起的断轴事故。

  ( 4 ) 实现风机运行振动数据接入 DCS ,设置振动高报警信号,使集控室能有效监测,对风机故障能及时判断处理。

  ( 5 ) 加强设备巡查力度,提高设备检测手段,能很好地预防类似事故发生。

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