SGT—200型燃气轮机叶片断裂故障分析

摘 要：珠海某LNG工厂一台西门子SGT-200型燃气轮机在运行20000小时后，突发机械故障，造成压气机叶片大面积断裂损伤，机组被迫返厂大修。经调查分析，事故是因为机组在离线水洗后长时间处于停机状态，没有及时启机运行，残余水积聚在压气机底部叶片装配孔附近，导致叶片转动部位锈蚀卡涩，叶片角度发生错位，产生了大量非正常尾流，叶片因过度的应力而产生裂纹并最终发生断裂。因此，燃气轮机在进行离线水洗后，应及时启机运行，确保水汽被彻底排尽烘干，要定期检查可调节叶片（IGV），确认机构动作正常活动自如。

关键词：燃气轮机；叶片断裂；SGT-200；水洗；尾流

1 引言

珠海某LNG工厂核心动设备燃气透平机组由一台西门子SGT-200-2S型燃气轮机与一台离心式压缩机组成，该型燃气轮机是国内首次引进使用，具有结构紧凑，效率高，采用DLE（干式低排放）燃烧系统，氮氧化物排放低，双轴布置可快速适应负载变化需求，可进行在线和离线水洗等特点。

机组在一次例行检修后的满负荷测试过程中，突发机械故障，造成压气机内部大面积叶片断裂损伤，机组被迫返厂大修，工厂停产7个月，经济损失严重。

2 机组简介

SGT-200-2S型双轴燃气轮机采用双燃料燃烧系统，天然气和液体燃料均可，由15级轴流亚音速压气机，2级悬挂式压气机透平，2级高效动力透平组成，设置5级可调节导叶和静叶系统（IGV），压缩比12.3：1，额定转速10950rpm，ISO条件下空气流量29.3kg/s，功率7680kW，热效率33.4%，8个DLE燃烧室各带有一个点火器，氮氧化物排放含量小于15ppmV。结构简图如图1所示。

3 叶片断裂故障

燃气轮机累计运行时长约20000小时后，在完成例行B检保养工作后启机测试，升负荷至温度控模式运行，达到最高功率运行1小时后，机组因振动高紧急停车，伴随巨大异常声响。停机后检查发现，压气机无法正常盘车，压气机IGV外部连杆第2、3、4级发生不同程度的扭曲。

使用内窥镜对燃气轮机各部分进行检查，发现压气机导叶叶片严重损坏，燃烧器和火焰筒均被金属碎渣冲击，动力透平叶片有损伤。打开压气机上机盖后，发现压气机第2级一动叶片脱榫断裂，2级、3级动叶片已经完全断裂脱落，在下机盖底部有大量断裂脱落的叶片，其它级的动、静叶片不同程度卷曲、断裂及变形损伤，压气机腔体有大量撞击斑点及环形划痕，转子表面有严重的环形金属摩擦痕迹，如图2、3所示。

4 拆检与分析

进一步对损坏燃氣轮机进行解体检查，结果表明：压气机第2级脱榫动叶片是从根部基座断裂的，压气机动静叶片全部损坏，燃烧室全部损坏，密封系统全部损坏，转子及轴承部分损坏。压气机可调节叶片不存在抱死或过紧现象，未发现外部异物撞击现象。拆除压气机静叶片后，发现装配孔大部分是清洁的，其中有一些孔在某一侧有轻微锈蚀，但压气机底部装配孔却有明显的堆积锈蚀，如图4、图5所示。

第2级脱榫叶片基座断面如图6所示，断面平坦光滑，无条纹，有A、B两个起始点，无明显的缺陷及凹坑，存在小面积的过载失效区域。使用扫描电子显微镜（SEM）检查断面，发现是由延展性拉伸过载引起的微孔聚集型断裂，如图7、8所示。起始点A表面沉积物主要为氧化铁，含有微量的硫，不存在点蚀情况，起始点B显微图像同A类似，如图9所示。

脱榫断裂叶片产生裂纹部位的几何结构与图纸相符，材料化学成分、显微组织和硬度均符合符合技术要求。另外，发现其他第2级动叶片根部基座大约有一半已经出现了正在扩展的类似裂纹，如图10所示。

5 故障原因分析

所有弹性物体在冲击下都会发生振动，压气机叶片呈细长状，根部一端被固定，容易产生振动，转子叶片工作时主要受到离心力、弯曲应力和振动应力[1]。在SGT-200机型中，由于叶片根部特殊的几何形状设计，这些应力会有所放大。

正常情况下，压气机可调节叶片（IGV）排列角度一致，除了很小的尾流外，空气动力载荷是很均匀的。然而，如果有一两个叶片出现角度错位，那错位叶片处将会产生较大的不正常尾流。每次转子叶片经过时，都会横切尾流，这样就会在转子叶片翼面产生冲击并引起振动，叶片切过尾流的频率是转子固有频率的倍数时振动会加强[2]。而角度错位的叶片，无论是在转子叶片的上游或下游，都会产生强烈的尾流。在压气机正常转速下，尾流带来的叶片强烈振动不会发生，但在启停机时，则很难避免。因此，压气机在设计时已经确保在任何情况下，所有正常冲击振动都在叶片受力范围内。

经查，事故发生前两年，首次发现压气机外部IGV连杆扭曲现象，至事故发生时共计出现过5次类似情况，这说明压气机底部个别静叶片与其他叶片角度存在不一致，产生了位置偏移，且在该工况下机组运行了较长时间。由于第2级转子叶片两侧的静叶片角度错位，因此产生了较强的空气动力扰动，随着转子旋转，各转子叶片都会受到这一扰动而产生振动，当振动固有频率与转速同步时，振动加剧，从而导致叶片应力超过材料承受极限，裂纹产生并逐渐延伸，直至发生断裂。所有其他转子叶片包括那些目前还没有出现裂纹的叶片，都是同样的情况，如果运行时间足够长，它们也将会依次出现裂纹并发生断裂。

压气机外壳底部装配孔的腐蚀情况表明（图4、图5），叶片位置偏移是由底部叶片锈蚀卡涩引起。在燃气轮机20000小时例行B检保养工作前，机组进行了两次离线水洗，随后并未启机运行便进入检修程序。在水洗时，残留水趋于流向位置最低的叶片装配孔，如果机组不能及时启动运行，可能会产生锈蚀，造成叶片角度错位甚至抱死。经查，受工艺条件限制，工厂在过去的操作中，存在多次机组离线水洗后未及时启机运行的情况。

6 结论

此次事故是由燃气轮机压气机转子第2级的一个动叶片断裂脱落所致，机组在离线水洗后长时间处于停机状态，没有及时启机运行，残余水积聚在压气机底部叶片装配孔附近，导致叶片转动部位锈蚀卡涩，叶片角度发生错位，产生了大量非正常尾流，叶片长期振动产生高周疲劳裂纹，该裂纹扩展到一定程度时，便发生了叶片断裂事故。

为了避免同类事故的发生，燃气轮机在进行离线水洗工作后，应及时启机运行，确保水汽被彻底排尽烘干，要定期检查可调节叶片（IGV），确认机构动作正常活动自如。

参考文献：

[1]宋国明.燃气轮机低压压气机转子叶片断裂分析[J].失效分析与预防，2012，7（1）：30-31

[2]高慧.PGT25+燃气轮机高压压气机16级动叶断裂原因及预防措施[J].燃气轮机技术，2010，24（3）：59-60

作者简介：

郭海燕（1984- ），女，硕士研究生，毕业于华南理工大学化学与化工学院，工程师，从事LNG生产及设备技术管理工作。

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