燃氣輪機作動筒連桿斷裂問題分析與解決獲獎科研報告

燃氣輪機作動筒連桿斷裂問題分析與解決獲獎科研報告摘

要：某燃氣輪機在工作過程中發(fā)生壓氣機作動筒可動U型夾斷裂故障。本文采用故障樹工具，通過冶金分析、設(shè)計復(fù)查、使用環(huán)境復(fù)查，對所有底事件進行排查，最后發(fā)現(xiàn)斷裂原因為使用環(huán)境異常、受海水浸泡且材料在海水中的抗腐蝕性較弱使其產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，在交變力作用下加速其破壞斷裂。通過更換抗腐性更好的材料來解決這一問題。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機;壓氣機;作動筒;斷裂問題

1故障現(xiàn)象

某燃氣輪機在工作中發(fā)現(xiàn)排氣裝置處噴火，緊急停車。隨后起動兩次均失敗。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)其右作動筒組件中可動U型夾及葉片角位移傳感器斷裂。故障件為可動U型夾，是可調(diào)靜子葉片操縱系統(tǒng)的一部分，起連接作動筒和操縱機構(gòu)的作用。斷裂位置在與作動筒活塞桿相連的螺紋處。

2故障樹

為分析作動筒可動U型夾連桿斷裂原因，綜合考慮設(shè)計、加工和使用等方面，建立作動筒可動U型夾連桿斷裂故障樹，共涉及底事件10項，圖為所建立的故障樹。

3故障原因分析

3.1冶金分析

對故障件進行宏觀檢查、斷口檢查、金相檢查。

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)斷裂位置正好位于可動U型夾與活塞螺紋連接處?？蓜覷型夾及作動筒外表均有明顯的腐蝕痕跡。作動筒活塞桿表面有一側(cè)存在明顯的磨痕對應(yīng)可動U型夾斷口的帶定位銷一側(cè)。

斷口檢查發(fā)現(xiàn)斷裂面基本與螺母面平齊，無塑性變形。斷口表面有明顯的銹跡，其中中部生銹相對明顯，斷口也較為粗糙，顏色為橘紅色;而兩端銹跡較少，相對平坦，顏色為灰棕色，靠近定位銷側(cè)的斷口面無銹跡面積較大。清洗后放大觀察斷口可見，銹跡較少的斷口為沿晶斷口，未見疲勞弧線、放射棱線形貌，局部有二次裂紋;其中靠近定位銷附近的斷口邊緣可見泥紋花樣，腐蝕產(chǎn)物較多。進一步能譜分析表明，該處Cl含量達到2.88%，而靠近中部斷口區(qū)域無明顯腐蝕處Cl含量為1.3%。根據(jù)斷口形貌和成分初步判斷，可動U型夾斷裂主要從靠近沿定位銷的表面多處起始，斷口源區(qū)因覆蓋較多腐蝕產(chǎn)物無法觀察微觀特征。另一側(cè)斷口（定位銷對面）也為沿晶斷口，靠近螺紋表面處也有明顯的腐蝕產(chǎn)物。其擴展面積小于靠近定位銷一側(cè)的斷口區(qū)，應(yīng)為次源。斷口中部較為粗糙，應(yīng)為最后斷裂區(qū)，表面銹蝕嚴(yán)重可能與斷口相對粗糙，更易腐蝕有關(guān)。

在可動U型夾螺紋桿上切取一段磨制金相試樣，觀察金相組織，觀測面距斷口約10mm。腐蝕后可見金相組織為馬氏體組織。邊緣組織和心部組織未見差別，未見晶間腐蝕形貌。但在邊緣可見明顯的兩處腐蝕坑，腐蝕坑附近有晶粒剝落，坑底裂紋呈沿晶形貌。

冶金分析結(jié)果：作動筒可動U型夾表面存在大量銹斑表明在工作環(huán)境中受到明顯腐蝕。其螺紋桿在螺紋根部斷裂，斷口平齊，無塑性變形，為表面多源起始，斷口表面有含Cl元素的腐蝕產(chǎn)物（泥紋花樣），符合應(yīng)力腐蝕主要特征?？蓜覷型夾螺紋桿斷裂為應(yīng)力腐蝕斷裂。

3.2設(shè)計復(fù)查

對故障件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)查、受力情況復(fù)查、材料力學(xué)性能復(fù)查、耐腐蝕性復(fù)查和表面處理復(fù)查。

結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)查，復(fù)查設(shè)計間隙，結(jié)果表明間隙設(shè)計合理，不會發(fā)生干涉問題。

受力情況復(fù)查，在平行于操縱支架平面、垂直于作動筒軸線方向上，在三級曲柄垂直于作動筒軸線時存在約310N的力。根據(jù)氣動力情況復(fù)查結(jié)果，氣動力導(dǎo)致的可動U型夾連桿始終受拉力，大小約為700N。由上述兩項復(fù)查結(jié)果綜合分析可知，在三級曲柄垂直于作動筒軸線狀態(tài)下，活塞向打開方向運動時所受的合力最大。因此，作動筒筒體最大磨損位置應(yīng)該在平行于操縱支架平面、垂直于作動筒軸線方向，且靠近操縱支架一側(cè)。根據(jù)實物磨損狀態(tài)復(fù)查情況，磨損量最大的位置正位于平行于操縱支架平面、垂直于作動筒軸線方向，且靠近操縱支架一側(cè)。

復(fù)查材料力學(xué)性能，故障件材料為1Cr17Ni2，復(fù)查故障件圖紙，其規(guī)定的熱處理制度對應(yīng)的σ0.2為835MPa，力學(xué)性能滿足設(shè)計要求。

耐腐蝕性復(fù)查，復(fù)查材料手冊，在不同回火溫度下的耐腐蝕性能見表3。故障件的回火溫度為500～540攝氏度，由表中數(shù)據(jù)可知，零件的回火溫度處于腐蝕失重值較大的區(qū)域，為易于腐蝕的回火溫度區(qū)間。因此，材料的耐腐蝕性差為故障發(fā)生的原因之一。

表面處理復(fù)查，復(fù)查圖紙，圖紙中無化學(xué)鈍化或表面涂耐腐蝕漆或耐腐蝕涂層要求。因此，零件表面沒有鈍化或表面無涂耐腐蝕漆或耐腐蝕涂層要求，是故障的原因之一。

3.3使用環(huán)境復(fù)查

現(xiàn)場復(fù)查發(fā)現(xiàn)，斷裂的可動U型夾表面及與可動環(huán)連接面均有嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象發(fā)生。燃機表面潮濕，為從船艙上方持續(xù)滴入的水跡。檢查左側(cè)作動筒及可動U型夾，未發(fā)現(xiàn)有裂紋或銹蝕現(xiàn)象，檢查其他艦艇的左右操縱系統(tǒng)，也未發(fā)現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。且均未發(fā)現(xiàn)水跡。因此，使用環(huán)境異常，即船艙漏水導(dǎo)致燃機故障部位受海水浸泡可能為誘發(fā)此次可動U型夾螺紋桿斷裂的原因之一。

3.4故障原因分析結(jié)論

1）船艙漏水導(dǎo)致故障件長期受海水腐蝕是可動U型夾早期腐蝕的直接原因;

2）材料熱處理制度處于耐腐蝕性較弱的區(qū)域，且表面未進行防護處理是可動U型夾早期腐蝕的根本原因;

3）活塞桿受平行于操縱支架平面、垂直于作動筒軸線方向上的交變彎曲力作用，在腐蝕產(chǎn)生局部破壞以后，在交變彎曲力的作用下，加速破壞區(qū)的擴展，最終導(dǎo)致可動U型夾螺紋桿斷裂破壞。

4.排故措施

通過計算分析，0Cr17Ni4Cu4Nb材料的力學(xué)性能滿足設(shè)計要求;

0Cr17Ni4Cu4Nb在人造海水和大氣中放置兩年，試樣表面幾乎無腐蝕痕跡。且該燃機作動筒活塞材料是0Cr17Ni4Cu4Nb，同樣的應(yīng)用環(huán)境下，作動筒筒體和可動U型夾均存在較嚴(yán)重的銹蝕，但位于兩者之間的活塞，未見銹跡，且活塞在燃機停機時為伸出狀態(tài)，活塞桿會暴露在外部環(huán)境中，證明該材料的抗腐蝕能力優(yōu)于原材料，在故障發(fā)生環(huán)境下具有較好的抗腐蝕性能。

因此排故措施為：將可動U型夾材料由1Cr17Ni2更改為0Cr17Ni4Cu4Nb，熱處理硬度HB=277～352，并在表面進行化學(xué)鈍化。

復(fù)查該燃氣輪機壓氣機部分圖紙，整理出全部1Cr17Ni2材料。對相同的材料舉一反三，貫徹排故措施，并擇機貫徹到已裝機產(chǎn)品中。

5.總結(jié)

本文通過故障樹的工具，分析了某燃氣輪機