9D1200风机叶轮损坏原因分析.docx

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9D1200风机叶轮损坏原因分析

论文9：

D1200风机叶轮损坏原因分析

摘要：

萍乡动力厂的302#高炉D1200鼓风机在运行中突然出现故障。

本文根据事故发生后转子上的一、二、三级叶轮叶片断口进行了分析，认为是叶轮摩擦损伤使应力集中，造成叶片受力区突然断裂的原因，并由此提出了相应的防范措施。

关键词：

鼓风机损坏经过叶轮磨损交变应力防范措施

一、前言

萍乡动力厂2#D1200离心式鼓风机，于1998年投产，为萍钢302#高炉供风。

该机组在2003年5月因新增AV45-12轴流风机后，公司两座高炉（302#高炉、303#高炉）由三台风机（D1200离心式鼓风机、D1650离心式鼓风机、AV45-12轴流风机）供风，三台风机为两开一备，后因高炉工艺要求，仅用于302#高炉备用风机。

该风机主要性能参数如下：

型号：

D1200－3.0/0.98-1　

进口流量：

1200m3/min　　　　

进口压力：

0.096MPa（绝）

出口压力：

0.294MPa（绝）

进口温度：

20℃　

相对湿度：

85%

进口介质密度：

1.1338Kg/m3

电动功率：

4000KW

主轴转速：

5043r/min

为节能降耗，2#高炉2010年6月由D1650风机供风改为D1200风机供风，该风机投入运行以来各参数均在正常范围内，其运行最高负荷达到425A，风机轴瓦温度在65℃以下，风机轴瓦振动在/s以下，风机轴位移在0.08mm，运行情况良好。

如下表一为其事故发生前设备运行状态监控数据，此表中11月23日-11月24日为2#高炉计划检修；表二为其事故发生前轴承振动检测数据。

（表一）

（表二）

二、经过及损坏情况

2010年12月7日6:

53时鼓风机房接2#高炉值班室减风操作通知，7:

01时当班人员将风压减至0.14MPa后，高炉坐料要求继续减风，于7:

08:

22减至0.068MPa，风量为3/min（即为零），7:

09:

22风压减至0.06MPa，电流显示为230A，此时，风机润滑油压0.19MPa，轴瓦温度最高57℃（均正常）,7:

09:

36风机轴瓦温度高报警，7:

09:

37风机推力轴瓦温度高报警（直线上升至228℃后信号消失），此时，风机转子轴位移,7:

09:

40轴位移开始增大，至7:

10:

37轴位移增大至报警，7:

11:

20风机发出很大的异常振响，后经一操作员工到现场进一步确认，发现风机前端冒白烟并喷出白色粉末，当时马上跑回值班室告知相关人员进行了紧急停机。

停机后，经维修人员对风机本体进行揭盖检查，发现风机一、二、三级叶轮中的叶片均出现严重断裂与撕裂，风机两端气封、油封、级间与背板气封、前后支撑瓦、推力瓦、前后轴承压盖、轴位移检测探头等出现严重损坏，就连隔板中的导流顶部也出现部分打断，下机壳也出现不少打击痕迹，下机壳、隔板中的导流片中有少许被打坏的小叶片残留物，尤其是出风管出口弯头处，逆止阀等处有大量的被打坏的小叶片残留物，机壳内部及转子外表均是气封磨损后细少白色残留物。

从损坏程度来定性，是一起典型叶轮严重损坏的恶性事故。

三、原因分析

1、排除风机进入喘振工况

喘振是透平式风机的一种固有特性。

一般当风机流量减小，气流的流动情况开始恶化，风机性能发生变化。

流量减小到一定值时，会产生严重的边界分离和旋转失速，进入不稳定工况。

如进一步减少流量，将会产生剧烈的气流脉动和周期性振荡，机器性能大大恶化，且电流、风量、风压大幅度波动，机组产生强烈振动，并发出“呼哧、呼哧”的声音。

事后从电脑保存的记录情况如下图所示，操作工在风量为3/min（即为零）后，风压仍在缓慢下降直至0.02MPa，没有出现波动现象，风量也没有出现跳跃，一直在3/min，即可以排除风机出现故障前期未出现喘振工况，导致叶轮损坏的内在固有气流不稳因素产生的强加扰动力可以排除。

机组出现恶劣工况，员工排除不及时的条件不存在。

2、断口宏观鉴别

该机组转子是由三级叶轮组成，即如下图二所示。

下图是损坏叶轮的照片，叶轮与轴上均有明白色沉积物。

该机组的叶轮中的叶片均为后弯型叶片，每级叶轮中的叶片均是焊接后打磨成型的，流道比较光滑。

从图三至图七中一、二、三级叶轮损坏断口情况来看，一级叶轮靠进气端每片叶片前端全部剃光头，断口大多数显倒“V”形，且断裂处均位于进气侧180至250毫米左右部位，断口处没有明显的卷曲，有一定角度的坡口，说明不是受外来物致使叶轮损坏，是由于叶片两侧受冲刷减薄或一定穿孔后，处在一个单臂梁受力状态，当磨损到了一定时限，一块或多块断裂后，整个轮组动平衡破坏以及一级各单个叶片气流受力发生变化，导致整个一级进气侧叶片全部折断。

二、三级叶片损坏断裂形状有明显的卷曲现象或切口，说明有明显外来力所致，当然，二、三级进气侧200至250毫米左右部位均全部打坏，也说明二、三级叶片有明显磨损缺陷，叶片与侧板与盖板焊接联合处，均磨损严重甚至一定的穿孔，在一级叶片脱落飞出后，受打击的叶片直接折断，未受打击的叶片，在别的叶片击断后，同一级叶片存在类似折断原因。

另外，从二、三级叶轮中的部分叶片靠出气侧有打卷的断口或直接切开的断口推断，物体打击不可能出现同样程度损坏，而会出现程度不一的不同现象。

3、失效原因分析

风机正常运转过程中，气体介质是沿与叶片进口气流角十分接近的角度进入叶轮，但由于叶片进口气流角并不等于叶片进口几何角，因而存在着气流冲角。

由于气流冲角的存在，介质持续与叶片发生碰撞，产生交变应力，造成叶片疲劳损伤；且介质中含有的粉尘颗粒、水蒸汽与叶片发生摩擦、腐蚀，造成叶片摩擦损伤，摩擦损伤部位又导致应力集中。

以下从磨损及受力角度分析叶轮损坏的原因。

1）摩擦损伤使应力集中

风机叶轮磨损的机理很复杂，大致可分为介质颗粒的冲蚀磨损、低应力擦伤型磨损和腐蚀磨损，三种磨损形式联合作用，相辅相成。

而三种磨损形式中又以冲蚀磨损为主，低应力擦伤型磨损和腐蚀磨损为辅；同时低应力擦伤型磨损和腐蚀磨损将加剧冲蚀磨损。

风机叶轮磨损的部位是靠近后盘区域的叶片进气端、工作面、出口端及后盘端面，其中以进气端叶片与后盘交汇处磨损最为严重。

造成该现象的原因在于：

介质气体进入叶轮时，由于叶片进口气流角并不等于叶片进口几何角，产生气流冲角，且介质受其自身惯性及气流粘性作用的双重影响。

大直径颗粒，因自身的惯性较大，与气流的跟随性较差，故以不同于叶片进口气流角的方向冲向叶轮进气端叶片与后盘；小直径颗粒由于自身惯性较小，气流粘性作用的影响相对较大，使颗粒与气流的跟随性增强，因此颗粒的运动轨迹与气流子午流线十分相似，使之沿与叶片进口气流角十分接近的角度进入叶轮。

这些颗粒杂质与叶轮碰撞后沿接触面滑动或滚动工作面产生了一定的冲击压应力，冲击压应力的垂直分量使颗粒压入材料表面，冲击压应力的水平分量使颗粒沿大致平行于材料表面的方向移动，使材料表面接触点产生横向塑性变形，从而切出一定量的微体积材料，造成了叶轮流道表面的微切削磨损即冲蚀磨损。

滑动的大颗粒将对接触面形成微观犁削，造成叶片工作面的低应力擦伤型磨料磨损。

加之介质中的酸性物资、水蒸汽与接触面金属发生化学作用而产生腐蚀，腐蚀加速磨损，磨损加速腐蚀。

三种磨损形式联合作用，相辅相成，使得叶轮靠近后盘区域的叶片进气端、工作面、出口端及后盘端面磨损严重，并产生沟槽、穿孔、刀口现象，导致应力集中。

2）交变应力作用下，产生裂纹

叶轮在运转过程中主要存在两种力：

非定常气动力、离心力。

非定常气动力是因介质气体进入叶轮时，由于存在气流冲角，介质与叶轮碰撞后产生了冲击应力，即非定常气动力；离心力是因叶轮旋转过程中由于自身重量而产生的。

两者共同作用，形成交变应力。

在该交变应力反复作用下，致使叶片受力区产生高周疲劳破损，造成叶片受力区微裂纹不断萌生、集结、沟通，形成宏观裂纹并突然断裂。

综合以上分析可以看出：

叶轮中进气侧为磨损最严重区域，同时也是承受载荷最大区域。

该风机叶轮从1998年开始投入使用，连续运行时间长，加上进口未设置进口过滤器，且进口又临近马路，扬尘比较多，期间，也作过揭大盖检查，叶轮总体情况与同类型机组相比，叶轮的叶片磨损不是十分明显，叶片尺寸磨损梯度在正常范围。

由于此机组原来定性是备用机组，在几个月连续运行中，尽管事发前半个月有检修检查时间，但由于重视程度不够，加上机组运行状况还好，所以未安排进行揭大盖检查。

由于这几个月的连续运行，叶轮中的叶片耐磨层可能出现明显递减，耐磨层这道保护防线一突破，各级叶轮中的叶片磨损处于急剧磨损阶段。

各级叶轮中的叶片，特别是一级叶轮中的叶片出现进口处两侧磨薄甚至磨穿的现象，这次在加减风操作过程中，由于气流的变化，让叶轮中的叶片打坏现象诱发出来。

诚然，由于叶轮中的叶片本身存在致命不足，此问题发生是迟早的事。

四、防范措施

1、建议在风机进口端加装自洁式空气过滤器,可减小入口过滤差压，提高入口空气质量，减少对风机叶轮的磨损，延长风机的使用寿命。

2、对风机工艺联锁跳闸保护进行改造性恢复。

因事故前轴瓦温度联锁跳闸保护解除，风机在此次恶性故障中没有及时自动联锁停机，特别是轴位移保护装置，在轴位移探头磨坏及止推瓦严重磨损的情况下，都没有发出机组联锁信号。

3、定期对风机进行揭大盖检查，加强磨损监督。

4、精心维护，加强点检，增加对设备的点检测振次数，做好动态趋势分析工作。

5、精心操作，提高员工操作素质，特别是提高员工在事故情况下应急处理能力。