某电厂350MW超临界机组配置的2台送风机(A、B送风机)为上海鼓风机厂生产的FAF20-9.5-1型单级动叶可调轴流式送风机,布置于锅炉炉后。送风机主要由转子、定子部件、轴承组、自控调节系统、联轴器、消音器等组成。送风机叶片共16片,为了保证叶顶和叶根处的全压相等、避免涡流损失,叶片设计为扭转形。送风机在运行过程中通过调整动叶片角度改变送风量。

该送风机于2013年10月投运,2015年2月A送风机在运行过程中振幅突然增大,至此送风机已累计运行近10000h。故障发生后,B送风机单侧运行,对A送风机进行检查,发现1片叶片从根部断裂,其余叶片有不同程度的损伤。 2 检测与分析

为了查明送风机叶片断裂原因,对断裂的送风机叶片取样进行综合失效分析。试验按照国家及电力行业现行相关标准规范进行,所采用仪器、设备均在检定(校准)有效期内。 2.1 宏观形貌检查

对断裂的送风机叶片进行宏观形貌检查。断裂叶片整体呈现较为明显的疲劳断裂形貌特征(见图 1a),其中右侧下边缘有几处明显的断裂源,右侧下半部分为疲劳扩展区,右侧上半部分及左侧为瞬断区(见图 1b);同时叶片的表面状态不佳,断裂面呈深浅两种颜色且界限分明,深色为Al、Fe的氧化物,浅色为原金属基体^{[1, 2]},均存在大量铸造缺陷(见图 1c、1d)。

图 1(Figure 1)

图 1 送风机叶片断口及表面宏观形貌

经查阅国内外相关资料,未获得该叶片材料的化学成分^[3],采用直读式光谱仪对断裂叶片进行检测,检测结果见表 1。由表中数据可以看出,叶片材料中主要以Al、Si元素为主,还含有少量的Ti、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn。按照表 1各化学成分质量分数及《GB/T 1173-2013铸铝合金》标准,基本确定该叶片材质属于Al-Si系中的铸铝材质^[4]。

表 1(Table 1)

表 1 断裂叶片各化学成分质量分数 %

表 1 断裂叶片各化学成分质量分数

按照《DL/T 884-2004火电厂金相检验与评定技术导则》要求,利用Axio Observer Alm型金相显微镜对断裂的送风机叶片取样进行显微组织检测^[5],以确定其金相组织是否异常,检测结果如图 2所示。可以看出,该叶片为铸造组织(见图 2a、2b),α枝晶较为粗大(见图 2b);同时,组织中存在大量气孔及缩孔缺陷,并伴有自缩孔处延伸出的裂纹(见图 2c、2d)。

图 2(Figure 2)

图 2 断裂叶片各部位金相组织

按照《GB/T 231.1-2009金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》要求^[6],利用THBC-3000DA型布氏硬度计对断裂的送风机叶片取样进行硬度检测,布氏硬度值在101~109。由于该叶片的具体材质不确定,无法对其硬度是否合格进行准确评判,但按照GB/T 1173-2013标准中对大部分铸造铝合金的布氏硬度最低值不小于100的要求,该叶片的硬度应为合格^{[7, 8]}。 2.5 扫描式电子显微镜检测

利用扫描式电子显微镜(SEM)对断裂的叶片断口进行微区形貌特征分析。图 3a为断口裂源区形貌,可以看出,该部位存在严重铸造缺陷及由此延伸形成的线性缺陷;图 3b为裂纹扩展区形貌,该区域具有明显的前沿线疲劳裂纹扩展特征;图 3c为瞬断区形貌,该区域呈现韧性断裂特征,断口有大量撕裂岭及撕裂状韧窝,同时也存在铸造缺陷^{[9, 10]}。

图 3(Figure 3)

图 3 叶片断口各区域SEM照片

综合以上分析,本次送风机叶片断裂的主要原因是由于叶片存在大量的铸造缺陷及由铸造缺陷延伸出的裂纹,这些裂纹在叶片长期旋转的循环荷载作用下成为疲劳裂源,并不断扩展,直至叶片断裂^[11]。

针对以上原因,建议加强设备监造及设备安装前的各项检验工作,同时运行中应避免极端负荷工况的频繁出现,避免出现风机喘振、失速等现象,以防止同类断裂失效事故再次发生,保证机组的安全、稳定、连续运行。