基于失效分析法与FTA法的叶片安全性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京化工大学DSE研究中心 作者:尚文

  近年来我国沿海钻井平台使用的不同型号的燃气轮机曾发生叶片断裂事故,造成严重损失。为了更好解决燃气轮机叶片断裂的分析、预防与维护等问题,在应用裂纹分析技术及断口分析技术进行叶片失效分析的基础上,建立燃气轮机叶片故障树,运用故障树定性分析原理,对叶片进行故障根本原因推理,结合失效分析与故障原因分析所得的结论,提出了针对性的预防维护建议。将此方案成功应用于工程实践,对于燃气轮机叶片的安全可靠运行提供良好的保障。

1、前言

  叶片作为燃气轮机的重要部件,在运行过程中负载情况复杂,具有转速高,温度高的运行特点,工作条件恶劣。长期运行的叶片,会出现不同程度的裂纹,最终叶片断裂会对整个机组的安全运行带来严重的威胁。据安联公司统计,叶片失效事故的发生率占燃气轮机总事故率的比重高达42%。所以对于海上平台燃气轮机叶片健康性研究有着重要的意义。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为迫切需要提出一个能够分析叶片失效机理、推理故障原因并制定预防维护建议的整体方案,来协助海上平台的工程师们解决燃气轮机叶片故障问题。

  本文提出一种基于失效分析法与故障树分析法相结合的研究方案。对国内外燃气轮机叶片失效资料进行搜集并总结归纳特征,研究分析叶片失效的典型案例,应用故障树分析法(FTA),建立燃气轮机叶片故障树。在应用裂纹分析技术及断口分析技术进行叶片失效分析的基础上,充分利用失效分析得出的叶片失效机理及直接原因,结合燃气轮机叶片故障树,进行故障根本原因推理及分析,最终提出有效预防及维护建议。

  针对海上平台某型号的燃气轮机多次发生的叶片断裂故障,将此方案应用于现场叶片失效分析及故障原因分析研究,为燃气轮机的健康性运行提供了保障。具有较强的工程实践价值。

2、燃气轮机叶片故障树的建立

  故障树分析法(FTA)是从分析失效因果关系中的顶事件开始直至底事件,由结果到原因、自上而下进行。一个故障树就是一个逻辑图,该逻辑图描绘了事件之间发生的次序。故障树法是对复杂系统进行可靠性分析的有效工具,分析的目的在于判明基本故障,以此确定故障的原因。

  叶片故障的失效模式包括振动、疲劳、异物损伤、腐蚀、侵蚀、硫化、磨损和蠕变等。尽管使用成熟可靠的设计工具,叶片故障仍然普遍存在于压气机和涡轮机。通过对燃气轮机叶片故障失效模式的分析研究,同时结合燃气轮机中其他相关组件或系统状态与对片状态的影响,以美国燃气轮机叶片专家Meher-Homji对于20年内重型工业型燃气轮机和航改型燃气轮机叶片故障的数据统计及典型案例为依据,运用故障诊断逻辑性原理建立燃气轮机叶片故障树,如图1,2所示。

燃气轮机叶片故障树

图1 燃气轮机叶片故障树1

燃气轮机叶片故障树

图2 燃气轮机叶片故障树2

  本燃气轮机叶片故障树对叶片疲劳故障、叶片脆变故障、叶片热气侵蚀故障、叶片冲蚀/磨损故障、叶片受环境冲击故障、叶片的蠕变损坏故障、叶片综合机械故障及燃料燃烧系统故障等8种典型故障模式进行详细研究,分析故障机理,还原故障形成过程,推断故障根本原因,共考虑到54个底事件,即引起叶片故障的可能根本原因,如表1所示。

表1 燃气轮机叶片故障树基本事件

燃气轮机叶片故障树基本事件

4、叶片安全性维护建议

  这类燃气轮机一级涡轮叶片的断裂故障,通过基于失效分析与故障树分析所得的失效机理及故障根本原因,可知实例中的叶片断裂故障是诸多因素联合作用的结果。基于此结论对其他运行状态下的燃气轮机发电机组提出以下维护建议:

  (1)由于叶片在非正常工况条件下工作时易产生疲劳失效,为保证工作环境的质量,首先必须确保工作燃料有可靠的质量,既避免燃料中混有腐蚀性杂质,并且保证了燃烧温度控制在正常范围内,不发生超温,这就要求对进入燃烧系统的燃料进行检测或处理,并通过监控系统调控工作温度。其次,减少满载紧急停车的次数,从而减小热端部件的不均匀膨胀。

  (2)对于叶片由于转子和静子部件之间或密封处的径向和轴向磨损造成的叶尖及叶片表面磨损,可以在叶尖定时测量的基础上,实现叶尖间隙的主动控制,及时调整叶尖间隙,使其稳定在最佳间隙范围内。

  (3)对于高温氧化及硫化作用下引起叶片热腐蚀,与冷却系统的正常运行有着密切的关系,通过对冷却通道的定期清洁,避免阻塞,对于散热孔进行定期维护,避免散热孔变形及沉积物的阻塞,可防止超高温环境的出现。

5、结语

  本文在对燃气轮机断裂叶片进行失效分析的基础上,运用故障树分析法对故障叶片进行故障根本原因分析研究,通过计算燃气轮机叶片故障树的最小割集,结合失效分析结论对实例中的故障叶片进行推理,分析引起叶片断裂的根本原因,并针对引起故障的根本原因提出相应维护建议,对燃气轮机叶片安全性研究具有积极的作用。基于失效分析法与故障树法相结合的技术不仅适用于燃气轮机叶片故障的诊断、预防与维护,针对燃气轮机常出现的轴承失效、喘振现象、燃烧系统故障、启动失效、齿轮失效等其他几种失效形式同样适用,并且相关工作正在研究开发之中。

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