某型燃气轮机管路连接螺母裂纹故障分析_赵亚楠.pdf

2 0 2 3年第8期某型燃气轮机管路连接螺母裂纹故障分析赵亚楠,李思洋,王君国(中国航发沈阳发动机研究所,辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 5)摘 要:本文阐述了某型燃气轮机运行过程中出现的连接螺母裂纹故障,通过对其进行系统性分析,采用故障树分析方法,对各底事件进行排查,从断口分析、材质分析和设计复查等方面进行分析,最终确定故障原因为热膨胀产生的管路应力超出连接螺母应力极限发生断裂。关键词:燃气轮机;螺母裂纹;故障树 中图分类号:U 2 6 3.1 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 4 0-0 3F a u l tA n a l y s i so fC r a c k i nC o n n e c t i n gN u t o faG a sT u r b i n eP i p e l i n eZ h a oY a-n a n,L iS i-y a n g,W a n gJ u n-g u o(A E C CS h e n y a n gE n g i n eR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h e n y a n g1 1 0 0 1 5C h i n a)A b s t r a c t:T h es c r e wn u t c r a c kp r o b l e mo f t h ep i p e l i n eo nac e r t a i nt y p eo fg a st u r b i n ew a sp r o p o s e di nt h i sr e p o r t.T h e f a u l t t r e ew a su s e d i nt h i sp a p e r t oa n a l y z et h ep r o b l e m.B yi n v e s t i g a t i n gt h eb o t t o me v e n t so f t h ef a u l t t r e e,t h ez o n eo f f r a c t u r e、m a t e r i a l、p r o c e s so fd e s i g nw a sa n a l y z e d.A f t e r t h a t,t h eb r e a k d o w nw a sd u et o?t h es t r e s sc a u s e db yt h e t h e r m a l e x p a n s i o no f t h ep i p e l i n ee x c e e d e dt h e l i m i to f t h en u t.K e yw o r d s:G a s t u r b i n e;S c r e wn u t c r a c k;F a u l t t r e e作者简介:赵亚楠(1 9 8 5),吉林省白城市,汉族,工程师,硕士研究生,燃气轮机总体结构设计。0 引言燃气轮机外部管路是燃机轮机结构重要组成部分,主要用于燃气轮机燃油、滑油和空气等介质输送,是燃气轮机正常运行的重要保证。燃气轮机外部管路具有工作环境复杂、管型不同意和敷设难度大等特点,这些特点决定外部管路在使用过程中渗油、漏油甚至断裂情况较为普遍,这些问题多发生于管路连接部位,这些故障不仅影响燃气轮机的正常运行,造成经济损失,严重的故障还会导致船舶停运或电站停摆等事故,因此,对外部管路一系列暴露出来的故障和问题进行系统性分析是非常必要的。本文对某型燃气轮机运行过程中发生的管路连接螺母断裂故障进行调查分析,确定故障原因,通过故障树分析等方法对其进行系统性分析,并提出改进措施加以验证。1 问题阐述某型燃气轮机试车过程中,多次发现动力涡轮后腔压力降低、高压压气机至动力涡轮引气管路连接螺母附近出现异常,经停车常规检查,发现引气管路连接螺母发生不同程度裂纹。故障信息如表1所示。表1 故障信息描述序号故障位置故障描述备注1高压压气机至动力涡轮后腔引气管连接螺母整机试验后分解检查过程发现,螺母轻微裂纹。/2高压压气机至动力涡轮后腔引气管连接螺母试车中发现动力涡轮后腔压力下降,试车间歇台下检查时发现至动力涡轮后腔引气管中间管螺帽开裂。与第一次故障间隔约3天,非同一根管路3高压压气机至动力涡轮后腔引气管连接螺母试车间歇台下检查发现高压压气机至动力涡轮后腔引气管中间管螺帽开裂。与第一次故障间隔约4 0天,非同一根管路2 问题定位图1 连接螺母断裂情况故障件连接螺母如图1所示。发生断裂位置为装配分解用的扳拧孔边缘,其中圆柱内侧为紧固螺纹,顶端为与另一段管路管接头卡接面。本批次管路从整机敷设至发生故障,工作履历约为1 0 0 0 h。3 机理分析燃气轮机出现的连接螺母故障并不发生在相同管路,但同属于跨越燃气轮机冷端和热端的长距离引气管路,判定原发故障为两段管路的连接螺母断裂,并以此作为顶事件从结构设计、热变形分析和疲劳形式等几个方面开展故障树分析。故障树共列出8个底事件,分别为结构设计不合理(E V E N T 1)、实物与设计状态不符(E V E N T 2)、振动应力大(E V E N T 3)、材料强度裕度不足(E V E N T 4)、热膨胀导致的应力集中(E V E N T 5)、静力裂纹(E V E N T 6)、装04DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.013内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n配不合理导致的应力集中(E V E N T 7)和生产加工缺陷(E-V E N T 8),如表2所示。表2 底事件排查项目序号底事件内容排查依据E V E N T 1结构设计不合理零件图纸复查及工作环境复查E V E N T 2实物状态与图纸不符设计图纸复查、实物尺寸测量E V E N T 3振动应力大试车振动监控、裂纹断口分析E V E N T 4材料强度裕度不足材料参数复查E V E N T 5热膨胀导致的应力集中连接螺母所在的管路热变形复查E V E N T 6静力裂纹断口分析及有限元仿真计算E V E N T 7装配导致局部应力集中复查图纸及装配技术要求E V E N T 8生产加工缺陷裂纹断口分析3.1 断口分析断裂裂纹断口成暗灰色,断面较平坦,可见明显的放射棱线和疲劳弧线,表明断口性质为疲劳。裂纹断口放入扫描电镜中进行放大观察,断口低倍形貌见图2 a,可见沿挡板转接R内表面线性起始的放射棱线(见图2 a椭圆所选区域),表明裂纹断口性质为沿连接螺母挡板内表面线性起始的疲劳。对疲劳源区进一步放大观察,见图2 b,未见明显冶金缺陷,可见细密的疲劳条带,进一步表明断口性质为疲劳。裂纹断口源区附近侧表面放大形貌,可见明显的机械加工痕迹,裂纹的扩展与加工痕迹无明显的对应关系。以此可排除E V E N T 6中静力裂纹的原因。(a)(b)图2 裂纹断口放大形貌3.2 材质分析从故障连接螺母基体(1 C r 1 8 N i 9 T i)取样进行能谱分析,结果见表3,主要合金元素含量符合标准G J B 2 2 9 4-9 5的要求。表3 故障连接螺母基体能谱分析(W%)元素S iC rM nF eN iT i含量0.3 61 8.6 02.2 26 8.4 49.4 00.9 8G J B 2 2 9 4-9 50.8 01 7.0 01 9.0 02.0 0-8.0 01 1.0 05(C-0.0 2)0.0 8 从故障连接螺母基体取样进行组织分析,为典型的奥氏体组织,未见明显异常,可以排除E V E N T 8由生产加工缺陷导致的裂纹。3.3 设计复查至故障发生,连接螺母工作履历约为1 0 0 0 h。试验结束后对故障件测量,未发现有超差或明显尺寸与加工图纸不符,因此可以排除E V E N T 2。本型燃气轮机引气管路连接螺母为继承设计,经过内流引气计算,引气管路选择外径为3 5 mm、外径为3 2 mm,结构满足正常管路内工作压力及装配分解所需强度储备。经对比,本型燃机引气管路组件与继承的原型燃机引气管路工作环境、材料选取、应力水平及气体温度等环境条件基本相同,可以排除E V E N T 1、E V E N T 4。3.4 动应力测量因连接螺母结构问题,动应力测试无法在故障处直接贴片,故在引气管路两段进行贴片,测量整根管路振动频率情况。测试除一片损坏外,其余测试结果正常采集,如表4所示。图3为测得典型振动响应瀑布图及时域频域图。表4 管路动应力测试结果应变片号应力(MP a)合成应力(MP a)频率(H z)高压转速(r/m i n)低压转速(r/m i n)放大器编号771 51 7 2/1 8 6 8 8 681 31 7 2/1 8 6 8 8 39小于5 MP a振动较小1 1 0 2 8 91 0小于5 MP a1 8 8 4 3 61 1小于5 MP a振动较小1 8 8 1 3 51 2试车过程中损坏1 8 8 4 3 41 3小于5 MP a振动较小1 8 8 1 4 41 4小于5 MP a1 8 8 4 2 7图3 8#应变片时域响应图 本次动应力测试共7个应变片获得有效数据,分析后发现最大应力为1 5MP a,出现在引气管前段弯头内侧焊缝处,安装螺母与测点处距离约7 0 0 mm,该应力不会对螺母产生直接破坏作用,可以排除E V E N T 3。3.5 装配复查引气管路按照总装装配规程、试车装配要求和试车装配工艺要求进行装配,装配过程中未发现问题,没有装配超差报告,因此可以排除装配产生的应力集中,排除E-142 0 2 3年第8期V E N T 7。3.6 热协调匹配燃机工作状态时,引气管路因温度升高发生热膨胀,机匣较管路温度高,热膨胀量相对大。管路的一端由法兰连接后机匣安装边,另一端由支架固定在涡轮机匣安装边上,管路随机匣的膨胀发生轴向和径向的拉伸拉伸强度复核。按照膨胀量计算公式:L工=L冷(T工-2 8 8)式中:L工 零 件 工 作 状 态 的 膨 胀 量(mm);L冷 零部件冷态尺寸(mm);零部件材料线膨胀系数(1 0-6/);T工 零部件1.0工况温度()。结合机匣和引气管的冷态尺寸、材料的膨胀系数及整机满负荷状态时的工作温度,按照膨胀量计算公式,可以得出引气管路的轴向与镜像拉伸量。其中,因管路固定点位置未发生变形及破坏,取管路固定点为热端管路长度。求得引气管路在连接螺母处轴向最大位移为1.1 mm,径向最大位移为3.3 mm。建立管路、支架有限元模型,通过AN S Y S划分结构化网格。支架卡箍处近似认为刚性固定。冷态时机匣长度与管路长度一致,热态时由于机匣和管路材料的温度、热膨胀系数不同,使机匣与管路之间产生轴向和径向位移差。连接螺母一端为活性接头,另一端为螺纹连接。螺纹连接处近似认为刚性连接,对螺母结构进行强度复核。图4 轴向位移0.8 mm和1.1 mm螺母应力云图考虑到 管 路 非 规 整 直 管,选 取 轴 向 位 移0.8 mm和1.1 mm计算,如图4所示。并对轴向位移1.1 mm和径向位移3 mm进行计算。载荷集中于螺母翻边及开孔(5 mm安装孔)附近,最大载荷分别为1 6 8 M P a、2 3 1 M P a、2 7 8 M P a,超过连接螺母选取材料1 C r 1 8 N i 9 T i屈服极限1 9 0 M P a,结合计算假设条件的影响,仍可认定膨胀导致的机匣与管路变形是连接螺母断裂的主要原因。不排除E V E N T 5。3.7 机理分析结论经对故障树底事件排查,排除底事件中其他原因造成连接螺母裂纹及断裂的可能,确定连接螺母断裂原因为为所在管路长度较长,过热端机匣因整机膨胀和管路膨胀,导致连接螺母处应力集中,螺母翻边处壁厚较小,产生应力超过材料屈服极限,多次装配分解和长时间试车后,导致螺母塑形变形发生断裂。4 排故措施及验证情况4.1 排故措施针对故障原因机理分析,连接螺母