伊敏电厂二期发电机转子失效案例分析

【摘 要】华能伊敏电厂二期#3发电机7瓦振动异常，机组最大扭振幅值0.5，停机后检测发现发电机联轴器10条裂纹，主轴2条裂纹。文章主要通过金属材料分析角度阐述了发电机转子失效产生裂纹原因，并结合应力分析加以验证。

【关键字】裂纹；材料；应力；SEDC

1、前言

华能伊敏电厂二期#3机组是由哈尔滨汽轮机厂设计，机组型号N600-16.7/538/538，发电机是哈尔滨电机厂生产，型号为QFSN-600-2YHG。2008年5月该机组发电机7瓦振动异常（图1），振动最大达到130.7um。厂内专业技术人员对振动原因进行分析并采取措施，但振动无明显变化。停机检修后将发电机转子返哈尔滨电机厂检查，发现发电机联轴器上总共有10条裂纹，主轴上有2条裂纹。

2、金属材料分析

2.1裂纹宏观分布

发电机联轴器表面上10条裂纹，均穿过联轴器键槽，并总共有8个键槽中有六个键槽处观察到裂纹，仅有两个键槽没有看到裂纹。

首先从宏观上分析，联轴器裂纹均形成于键槽顶端上方附近区域与主轴相接触的表面，而不是键槽内；裂纹的典型特征是起裂区平行轴向，扩展区接近为沿45方向向两个方向扩展形成X形。

其次根据联轴器结构，联轴器最大张应力位置是在键槽顶端与主轴相接触的表面，该位置的应力至少包括三个部分：1.由联轴器与主轴接触面传递的工作扭力；2.由圆键传递的工作扭力；3.由过盈配合形成的持续张力。又因为联轴器裂纹在相正交的两个450方向扩展，说明联轴器裂纹的扩展主要受工作中产生的扭转力的控制，而扭力的方向是双向的。因此联轴器受到扭振疲劳应力的作用。

2.2材料化学成分、力学性能和金相组织分析

（1）发电机联轴器、圆键化学成分符合设计规定要求；主轴材料除镍含量未达到规定要求外，其他元素的含量符合规定要求。

（2）联轴器材料力学性能符合设计规定要求；主轴材料的屈服强度（Rp0.2）低于设计要求的下限约15MPa；圆键材料的抗拉强度和屈服强度（Rp0.2）均未达到设计图纸要求。

（3）主轴和联轴器材料各区域的硬度分布和组织分布均匀、基本属于正常，基体组织基本为正常的回火索氏体组织。

因此联轴器材料完全符合设计定要求；主轴材料化学成分和屈服强度虽然存在轻微偏离，圆键材料的强度也偏低。但因为联轴器、主轴材料的组织和硬度分布均正常均匀，抗拉强度也均符合设计要求，而圆键虽然比设计强度偏低，但高于其他材料并且没有发生失效，因此材料强度不是导致裂纹产生的主要因素。

2.3联轴器裂纹分析

从图2裂纹图片看，联轴器断面平整光滑，有较为明显的疲劳弧线和台阶花样，呈现出典型的疲劳断裂形态，根据疲劳弧线的形状，可以看到裂纹源位于键槽顶端的联轴器与主轴接触面轴向尺寸最小处，裂纹源处有一个与轴线平行的小平面。根据断口表面与联轴器轴向的角度，断口明显分为三个区域， 如图5中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所示，箭头所指为裂纹扩展方向。其中Ⅰ区为裂纹源区断口，该区域断面与联轴器轴线平行，断面有磨损痕迹、二次裂纹和剥落掉块，断面相对粗糙，可以看出裂纹源位于最窄接触面的中间部位，而不是键槽顶端的边缘，如图中箭头所示。Ⅱ区为裂纹扩展初期区域，其表面与联轴器轴向呈450（与最大扭转正应力垂直，在图中表现为裂纹源两端的两个部分）。Ⅲ区断面为裂纹疲劳扩展区中后期断口，其表面与联轴器径向约呈300，疲劳断口中可以观察到有少量韧窝状断口，具有扩展速度较快的应变疲劳断口的特征。

从上述分析可以看出联轴器裂纹均起裂于键槽顶端与主轴接触的表面，该区域的轴向尺寸很窄，裂纹源位于该区域偏联轴器端面侧的位置。裂纹源区可以看到有一个垂直表面且平行轴向的圆缺形的疲劳开裂小平面，该区域尺寸为毫米量级，并可以在该小平面区域内看到裂纹疲劳扩展形成的疲劳条纹，说明疲劳裂纹源是在以正应力为主的交变应力作用下形成的，而且说明各种应力叠加后联轴器上最大张应力的位置是在键槽顶端与主轴接触面的偏联轴器端面斜边的附近区域。

2.4主轴裂纹分析

主轴两条裂纹分别位于键槽1和键槽2处（图3），宏观上两条裂纹均沿与轴向呈450的同一斜方向穿过键槽，其中键槽1处裂纹长约230mm，深度超过150mm；键槽2处裂纹长约140mm，深度约130mm。与联轴器上裂纹不同，主轴裂纹没有从键槽顶端穿过，而是与键槽相交于键槽圆柱面与球形顶面的交界线，该位置是键槽几何结构上的应力集中位置，显然主轴裂纹主要受到通过圆键施予主轴的扭转力的控制。

主轴裂纹均产生于键槽圆柱面与球形拱顶面的交界线上的几何结构产生应力集中的区域，裂纹的扩展主要受通过圆键施予主轴的扭转正应力的控制。在键槽裂纹上观察到有一个主裂纹源位于槽内距离轴表面15mm处，看来该位置是键槽结构中实际上受到工作应力最大的位置，由于该位置存在不规则的加工台阶和较深的加工刀痕，表明由此产生的应力集中对该位置应力状态有明显的不利影响。

2.5分析结论

（1）联轴器和主轴裂纹均为多源疲劳裂纹，是在疲劳应力超过其疲劳承载能力的应力条件下形成的。

（2）联轴器中的裂纹先于主轴中裂纹形成于键槽顶端与主轴接触的表面，是接触面摩擦传递的工作扭力、圆键传递的工作扭力及由过盈配合形成的持续张力三种应力叠加后张应力最大的位置。联轴器裂纹呈X形，受到双向扭转疲劳应力的作用，其形成和扩展是结构发生扭振的结果。

（3）主轴裂纹形成于键槽圆柱面与球缺形顶面的交界线上，是设计和加工结构上圆键施予主轴扭转应力最大和因此产生应力集中最严重的区域。主轴裂纹扩展方向主要是受工作扭力的控制。

3、应力分析

根据伊敏电厂发电机裂纹情况，清华大学采取建立模型计算的方法得出两相短路时的应力分布、机组发生次同步振荡SSO时的应力分布【1】。（应力分布模型如图4-5）

通过清华大学应力分布计算结果得出发电机联轴器和轴的局部应力集中很严重。联轴器上最大应力点在圆销孔的球头最前端及邻近的侧边上，轴上最大应力点在圆销孔内侧面靠近球头处。同时两相短路工况下，联轴器和轴的应力非常大，是部件发生初始裂纹的直接原因。而轴系发生次同步谐振（SSO）时，应力值比正常工况有明显的升高，且为交变应力，是疲劳失效的主要原因。

4、结论

通过从金属材料分析可以得出材料没有发生失效，材料强度不是导致裂纹产生的主要因素。主要原因为联轴器和主轴受到扭振交变应力的作用导致金属失效产生疲劳裂纹，并通过模拟应力分布也证明交变应力是疲劳失效的主要原因。

5、采取措施

通过电气角度发现发电机联轴器和主轴受到扭振交变应力主要是来自次同步谐振。伊敏电厂根据国内现在采用的几种控制次同步谐振方法中采用了附加励磁阻尼控制器（SEDC）来抑制机组轴系的次同步谐振，并取得了一定效果。下面为2009年进行二期机组SEDC实验。

（1）#3机组SEDC功能压板退出，一期#1、#2机组TSR无启动

（2）#4机组SEDC功能压板退出，一期#1、#2机组TSR无启动

由以上数据统计对比可见，#3、#4机组SEDC的投退，对分别对#3、#4本身机组TSR的启动和疲劳累计影响较大，SEDC的抑制功能明显。

2、机组检修时对#3、#4机发电机低-发对轮进行金属监督检查。到目前为止没有发现裂纹出现，机组运行正常。