9、D1200風機葉輪損壞原因分析.doc

.論文9：D1200風機葉輪損壞原因分析摘要：萍鄉(xiāng)動力廠的302#高爐D1200鼓風機在運行中突然出現(xiàn)故障。本文根據(jù)事故發(fā)生后轉子上的一、二、三級葉輪葉片斷口進行了分析，認為是葉輪摩擦損傷使應力集中，造成葉片受力區(qū)突然斷裂的原因，并由此提出了相應的防范措施。關鍵詞：鼓風機 損壞經(jīng)過 葉輪磨損 交變應力 防范措施一、前言萍鄉(xiāng)動力廠2#D1200離心式鼓風機，于1998年投產(chǎn)，為萍鋼302#高爐供風。該機組在2003年5月因新增AV45-12軸流風機后，公司兩座高爐（302#高爐、303#高爐）由三臺風機（D1200離心式鼓風機、D1650離心式鼓風機、AV45-12軸流風機）供風，三臺風機為兩開一備，后因高爐工藝要求，僅用于302#高爐備用風機。該風機主要性能參數(shù)如下：型號： D12003.0/0.98-1 進口流量：1200 m3/min進口壓力：0.096 MPa(絕)出口壓力：0.294 MPa(絕) 進口溫度：20 相對濕度：85% 進口介質密度：1.1338 Kg/m3電動功率：4000 KW主軸轉速：5043 r/min為節(jié)能降耗，2#高爐2010年6月由D1650風機供風改為D1200風機供風，該風機投入運行以來各參數(shù)均在正常范圍內，其運行最高負荷達到425A，風機軸瓦溫度在65以下，風機軸瓦振動在0.25cm/s以下，風機軸位移在0.08 mm，運行情況良好。如下表一為其事故發(fā)生前設備運行狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，此表中11月23日-11月24日為2#高爐計劃檢修；表二為其事故發(fā)生前軸承振動檢測數(shù)據(jù)。（表一）（表二）二、經(jīng)過及損壞情況2010年12月7日6:53時鼓風機房接2#高爐值班室減風操作通知， 7:01時當班人員將風壓減至0.14MPa后，高爐坐料要求繼續(xù)減風，于7:08:22減至0.068MPa，風量為1.84m3/min(即為零)，7:09:22風壓減至0.06MPa，電流顯示為230A，此時，風機潤滑油壓0.19MPa，軸瓦溫度最高57（均正常）,7:09:36風機軸瓦溫度高報警，7:09:37風機推力軸瓦溫度高報警（直線上升至228后信號消失），此時，風機轉子軸位移0.07mm,7:09:40軸位移開始增大，至7:10:37軸位移增大至-0.5mm報警，7:11:20風機發(fā)出很大的異常振響，后經(jīng)一操作員工到現(xiàn)場進一步確認，發(fā)現(xiàn)風機前端冒白煙并噴出白色粉末，當時馬上跑回值班室告知相關人員進行了緊急停機。停機后，經(jīng)維修人員對風機本體進行揭蓋檢查，發(fā)現(xiàn)風機一、二、三級葉輪中的葉片均出現(xiàn)嚴重斷裂與撕裂，風機兩端氣封、油封、級間與背板氣封、前后支撐瓦、推力瓦、前后軸承壓蓋、軸位移檢測探頭等出現(xiàn)嚴重損壞，就連隔板中的導流頂部也出現(xiàn)部分打斷，下機殼也出現(xiàn)不少打擊痕跡，下機殼、隔板中的導流片中有少許被打壞的小葉片殘留物，尤其是出風管出口彎頭處，逆止閥等處有大量的被打壞的小葉片殘留物，機殼內部及轉子外表均是氣封磨損后細少白色殘留物。從損壞程度來定性，是一起典型葉輪嚴重損壞的惡性事故。三、原因分析1、排除風機進入喘振工況喘振是透平式風機的一種固有特性。一般當風機流量減小，氣流的流動情況開始惡化，風機性能發(fā)生變化。流量減小到一定值時，會產(chǎn)生嚴重的邊界分離和旋轉失速，進入不穩(wěn)定工況。如進一步減少流量，將會產(chǎn)生劇烈的氣流脈動和周期性振蕩，機器性能大大惡化，且電流、風量、風壓大幅度波動，機組產(chǎn)生強烈振動，并發(fā)出“呼哧、呼哧”的聲音。事后從電腦保存的記錄情況如下圖所示，操作工在風量為1.84m3/min(即為零)后，風壓仍在緩慢下降直至0.02 MPa，沒有出現(xiàn)波動現(xiàn)象，風量也沒有出現(xiàn)跳躍，一直在1.84m3/min，即可以排除風機出現(xiàn)故障前期未出現(xiàn)喘振工況，導致葉輪損壞的內在固有氣流不穩(wěn)因素產(chǎn)生的強加擾動力可以排除。機組出現(xiàn)惡劣工況，員工排除不及時的條件不存在。2、斷口宏觀鑒別 該機組轉子是由三級葉輪組成，即如下圖二所示。下圖是損壞葉輪的照片，葉輪與軸上均有明白色沉積物。該機組的葉輪中的葉片均為后彎型葉片，每級葉輪中的葉片均是焊接后打磨成型的，流道比較光滑。從圖三至圖七中一、二、三級葉輪損壞斷口情況來看，一級葉輪靠進氣端每片葉片前端全部剃光頭，斷口大多數(shù)顯倒“V”形，且斷裂處均位于進氣側180至250毫米左右部位，斷口處沒有明顯的卷曲，有一定角度的坡口，說明不是受外來物致使葉輪損壞，是由于葉片兩側受沖刷減薄或一定穿孔后，處在一個單臂梁受力狀態(tài)，當磨損到了一定時限，一塊或多塊斷裂后，整個輪組動平衡破壞以及一級各單個葉片氣流受力發(fā)生變化，導致整個一級進氣側葉片全部折斷。二、三級葉片損壞斷裂形狀有明顯的卷曲現(xiàn)象或切口，說明有明顯外來力所致，當然，二、三級進氣側200至250毫米左右部位均全部打壞，也說明二、三級葉片有明顯磨損缺陷，葉片與側板與蓋板焊接聯(lián)合處，均磨損嚴重甚至一定的穿孔，在一級葉片脫落飛出后，受打擊的葉片直接折斷，未受打擊的葉片，在別的葉片擊斷后，同一級葉片存在類似折斷原因。另外，從二、三級葉輪中的部分葉片靠出氣側有打卷的斷口或直接切開的斷口推斷，物體打擊不可能出現(xiàn)同樣程度損壞，而會出現(xiàn)程度不一的不同現(xiàn)象。3、失效原因分析風機正常運轉過程中，氣體介質是沿與葉片進口氣流角十分接近的角度進入葉輪，但由于葉片進口氣流角并不等于葉片進口幾何角，因而存在著氣流沖角。由于氣流沖角的存在，介質持續(xù)與葉片發(fā)生碰撞，產(chǎn)生交變應力，造成葉片疲勞損傷；且介質中含有的粉塵顆粒、水蒸汽與葉片發(fā)生摩擦、腐蝕，造成葉片摩擦損傷，摩擦損傷部位又導致應力集中。以下從磨損及受力角度分析葉輪損壞的原因。1）摩擦損傷使應力集中風機葉輪磨損的機理很復雜，大致可分為介質顆粒的沖蝕磨損、低應力擦傷型磨損和腐蝕磨損，三種磨損形式聯(lián)合作用，相輔相成。而三種磨損形式中又以沖蝕磨損為主，低應力擦傷型磨損和腐蝕磨損為輔；同時低應力擦傷型磨損和腐蝕磨損將加劇沖蝕磨損。風機葉輪磨損的部位是靠近后盤區(qū)域的葉片進氣端、工作面、出口端及后盤端面，其中以進氣端葉片與后盤交匯處磨損最為嚴重。造成該現(xiàn)象的原因在于：介質氣體進入葉輪時，由于葉片進口氣流角并不等于葉片進口幾何角，產(chǎn)生氣流沖角，且介質受其自身慣性及氣流粘性作用的雙重影響。大直徑顆粒，因自身的慣性較大，與氣流的跟隨性較差，故以不同于葉片進口氣流角的方向沖向葉輪進氣端葉片與后盤；小直徑顆粒由于自身慣性較小，氣流粘性作用的影響相對較大，使顆粒與氣流的跟隨性增強，因此顆粒的運動軌跡與氣流子午流線十分相似，使之沿與葉片進口氣流角十分接近的角度進入葉輪。這些顆粒雜質與葉輪碰撞后沿接觸面滑動或滾動工作面產(chǎn)生了一定的沖擊壓應力，沖擊壓應力的垂直分量使顆粒壓入材料表面，沖擊壓應力的水平分量使顆粒沿大致平行于材料表面的方向移動，使材料表面接觸點產(chǎn)生橫向塑性變形，從而切出一定量的微體積材料，造成了葉輪流道表面的微切削磨損即沖蝕磨損?；瑒拥拇箢w粒將對接觸面形成微觀犁削，造成葉片工作面的低應力擦傷型磨料磨損。加之介質中的酸性物資、水蒸汽與接觸面金屬發(fā)生化學作用而產(chǎn)生腐蝕，腐蝕加速磨損，磨損加速腐蝕。三種磨損形式聯(lián)合作用，相輔相成，使得葉輪靠近后盤區(qū)域的葉片進氣端、工作面、出口端及后盤端面磨損嚴重，并產(chǎn)生溝槽、穿孔、刀口現(xiàn)象，導致應力集中。2）交變應力作用下，產(chǎn)生裂紋葉輪在運轉過程中主要存在兩種力：非定常氣動力、離心力。非定常氣動力是因介質氣體進入葉輪時，由于存在氣流沖角，介質與葉輪碰撞后產(chǎn)生了沖擊應力，即非定常氣動力；離心力是因葉輪旋轉過程中由于自身重量而產(chǎn)生的。兩者共同作用，形成交變應力。在該交變應力反復作用下，致使葉片受力區(qū)產(chǎn)生高周疲勞破損，造成葉片受力區(qū)微裂紋不斷萌生、集結、溝通，形成宏觀裂紋并突然斷裂。綜合以上分析可以看出：葉輪中進氣側為磨損最嚴重區(qū)域，同時也是承受載荷最大區(qū)域。該風機葉輪從1998 年開始投入使用，連續(xù)運行時間長，加上進口未設置進口過濾器，且進口又臨近馬路，揚塵比較多，期間，也作過揭大蓋檢查，葉輪總體情況與同類型機組相比，葉輪的葉片磨損不是十分明顯，葉片尺寸磨損梯度在正常范圍。由于此機組原來定性是備用機組，在幾個月連續(xù)運行中，盡管事發(fā)前半個月有檢修檢查時間，但由于重視程度不夠，加上機組運行狀況還好，所以未安排進行揭大蓋檢查。由于這幾個月的連續(xù)運行，葉輪中的葉片耐磨層可能出現(xiàn)明顯遞減，耐磨層這道保護防線一突破，各級葉輪中的葉片磨損處于急劇磨損階段。各級葉輪中的葉片，特別是一級葉輪中的葉片出現(xiàn)進口處兩側磨薄甚至磨穿的現(xiàn)象，這次在加減風操作過程中，由于氣流的變化，讓葉輪中的葉片打壞現(xiàn)象誘發(fā)出來。誠然，由于葉輪中的葉片本身存在致命不足，此問題發(fā)生是遲早的事。四、防范措施1、建議在風機進口端加裝自潔式空氣過濾器,可減小入口過濾差壓，提高入口空氣質量，減少對風機葉輪的磨損，延長風機的使用壽命。2、對風機工藝