0 　引言

锅炉一次风机是火力发电厂的重要辅机，它的安全可靠性直接关系到电厂的安全经济运行。某电厂 200MW 机组锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的，配有两台 FAF18-9-1 型轴流送风机、两台 T4-62AZ/1790 型双吸离心引风机、两台 2118B/91.6 型离心一次风机。自 2003 年 4 月投产以来，一次风机 B 发生过多次事故， 2003 年 11 月，轴承烧坏， 2010 年 4 月，主电机损坏跳闸， 2010 年 12 月 26 日，主轴断裂， 2011 年 1 月 21 日，主轴再次断裂。后两次事故相隔不到一个月，严重影响了机组的负荷，威胁到机组的安全稳定运行。

1 一次风机设备概况

2118B/91.6 型离心一次风机为单吸双支撑离心式风机， 2002 年 6 月由上海鼓风机厂制造的。主要由机壳、进气箱、进风口部、转子组、叶轮部、轴承箱部及进出口膨胀节等组成。其主要特性参数见表 1 。

表 1 一次风机的主要特性参数

 

项目流量/（m 3 /s ）	参数  38.5 （ T.B ） /27.15 （ BMCR ）
压力 /Pa	14347 （ T.B ） /11398 （ BMCR ）
转速 /(r/min)	1480
叶片数量 / 片	10 （材质为 15MnV ）
叶片外径 /mm	1936
叶轮总重 /kg	825
主轴材质	45#
主轴最大直径 /mm	210
主轴总长 /mm	2861
主轴总重量 /kg	608
支承	滚动轴承 2 个（型号 22224EASMC3 ）
润滑油	N46 汽轮机油
电动机功率 /kW	710
最大起吊重量 /t	6

 

2 主轴断裂事故

2.1 第一次断轴事故

2010 年 12 月 26 日 2 时 50 分，机组负荷由 150MW 增至 180MW ，一次风机 B 前轴承温度从 23 ℃升至 30 ℃； 3 时 07 分，一次风机 B 电流瞬间由正常的 70A 升至 103A ，之后又快速下降到 73A 左右，此时前轴承温度由 33 ℃开始快速上升，其它参数如发电机功率、一次风压及一次风机导叶位置等均无变化； 3 时 08 分，集控室光字牌显示“一次风机跳闸”信号， CRT 监控画面显示轴承温度高报警，前轴承温度升至 189 ℃，运行人员随即将一次风机的自动调节切换为手动调节，增大一次风机 A 出力、降低一次风机 B 出力，使一次风机 B 出口压力保持在 10kPa 左右； 3 时 16 分，运行人员紧急停一次风机 B ， RB 减负荷至 100MW 。现场检查发现：①主轴断裂；②前轴承箱上下盖螺栓松动；③油封受损；④轴承烧坏。

2.2 第二次断轴事故

2011 年 1 月 21 日 2 时，机组负荷 150MW ，一次风机 B 电流 68.8A ，风机前轴承温度 25 ℃左右； 2 时 22 分，一次风机 B 前轴承温度从 25 ℃逐渐上升； 2 时 36 分，一次风机 B 前轴承温度升至 39 ℃；电流出现波动，从 68A 升至 79A ； 2 时 38 分，一次风机 B 前轴承温度升至 116 ℃；电流剧增；随后，运行人员听到室外传来较大响声，同时集控室光字牌显示“一次风机故障跳闸”报警、 RB 动作，调整机组各参数至正常，机组负荷减至 95MW 。现场检查发现：①主轴断裂；②轴承箱上下盖连接螺栓全部断开，轴承箱上盖飞出，地脚螺栓松脱，油封受损；③轴承烧坏，内圈烧熔粘在轴上；④电机 4 个地脚螺丝拉断，电机偏斜；⑤电机接线盒内三相高压绝缘瓷瓶全部拉断；⑥电机冷风器顶盖被甩出；⑦电机转子轴伸端冷却风扇叶片弯曲变形。

3 主轴断裂的原因分析

3.1 基本理论分析

轴一般是作为传递力的构件，通常它承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷，在一些机构中轴也承受拉压载荷。轴在工作过程中可以因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。扭转疲劳破坏起始于剪切，不是横向剪切应力创始裂纹，就是纵向剪切应力创始裂纹，然后由于拉应力而延伸。扭转疲劳断口通常有“台阶式”、“星形”和“剥皮” 3 种。“台阶式”断口是一种正断剪切的混合型扭转疲劳断口，破断时始于纵向剪切平面，接着裂纹与起源点呈 45 °方向扩展，然后再一次在剪切面上纵向发展，最后导致断裂 [1] 。

3.2 断裂的位置

两次断裂的位置不同，第一次断裂点位于前轴承中间位置，第二次断裂点位于主轴前端变径位置。

3.3 断口宏观分析

第一次主轴断裂，联轴器未受到破坏，在电机停止转动前，两截断轴发生相对运动，断点不停地受到摩擦，使得断口破坏。第二次主轴断裂，断口清晰，断裂的起始部位在轴表面，呈“剥皮”状，断裂面与轴向约呈 45 °，断裂面上具有与电机转动方向相同的渐近线特征，具有在扭转载荷作用下的断裂特征。

3.4 原因分析

2010 年 4 月 5 日，一次风机 B 电机故障，更换相同型号的电机，运行至 2010 年 12 月 26 日，主轴发生第一次断裂，更换备用新轴后，运行不到一个月，再次发生断裂事故，更换了新轴和已修复的原配套电机，运行至今，该风机的各运行参数稳定，无异常。由于更换电机后，相继发生两次断轴事故，于是对电机的各项技术参数重新对比分析，发现原因所在。电机故障后更换的电机与风机原配套电机的参数对照见表 2 。由表 2 可以看出，两电机的额定电流和额定转速不一致，由电机扭矩计算公式 Te=9549Pe/n 可以看出，电机输出扭矩与转速成反比，因此，风机原配套电机的输出扭矩大于电机故障时所更换电机的输出扭矩，转矩是反映电机带负载的能力，如果电机转矩太小，就带不动负载。风机转子质量是恒定的，所以阻转矩是恒定的。原配套电机是经过设计选择的，与风机阻转矩相匹配。而后更换的电机转矩小，使得电机转矩与风机阻转矩不匹配，在较高转速下，使得整个风机主轴承受较大的扭转应力，在这种扭转应力作用下，主轴承受应力能力小的点就会产生裂纹，导致断轴。第一次断轴点为 2003 年烧轴承位置，高温破坏了此点的金相组织，使之承受应力能力变小，发生断裂。第二次断轴点发生在变径处，由直径 φ 210 变小为φ 110 的位置，经验表明，主轴的变径点是最易断裂的位置。

表 2 电机故障后更换的电机与原配套电机的参数对照

项目	风机原配套电机		电机故障后更换的电机
型号	YKK450-4	YKK450-4
额定功率 P e /kW	710	710
额定电流 I e /A	80.3	79.5
额定电压 U e /kV	6	6
额定转速 n / （ r/min ）	1479	1490
生产厂家	上海电机厂	上海电机厂
生产日期	2002 年 6 月	1999 年 3 月

4 处理方法

4.1 第一次断轴处理

第一次断轴事故后，锅炉投油稳燃，机组减负荷运行。检修人员立即组织抢修。

（ 1 ） 主要备件准备：主轴 1 条， 22224EASMC3 型轴承 2 个，油封 3 套。

（ 2 ） 拆卸解体：拆卸联轴器螺栓，吊离电机，拆卸轴承箱上盖及冷却水管，在进口挡板前切割高约 500mm 进口一次风管，拆卸机壳蜗壳连接螺栓，吊出机壳至检修地面，吊出风机转子，做好标记，拆出叶轮。

（ 3 ） 叶轮装配过程：备件主轴法兰未钻孔，将叶轮与新轴运至机械厂，将主轴与叶轮配合好后点焊固定，钻取安装孔，按原来标记回装叶轮与轴法兰连接螺栓。

（ 4 ） 回装过程：用热装法安装轴承及半联轴器；将新的油封装入轴承箱槽内；将转子就位；清洗轴承、回装轴承箱上盖，并上紧连接螺栓；轴承箱加润滑油至适当油位；机壳回装上紧螺栓；电机就位，安装联轴器螺栓，中心找正。

4.2 第二次断轴后处理

第二次断轴对风机的破坏较为严重，由于两次断轴时间间隔短，无库存主轴备件。两种方案可供选择，方案一，厂家供货，但无现货，生产周期需 1 个月；方案二，机械厂加工生产，供货期 8 天左右，但无主轴零件图，需将两截断轴吻合后实测，误差较大。断轴事故发生后，急需恢复风机正常运行，减负荷且燃油运行，从机组安全稳定运行和经济性角度考虑，选择方案二。轴承箱损坏严重，厂家有现货供给。这次处理较前一次不同的是：①更换的新主轴是由实际测绘加工而成的；②更换了两个主轴承箱；③风机原配套电机已修复备用，将电机更换为原配套电机。④恢复轴承箱振动热工保护。

5 结论

（ 1 ） 两次断轴事故，机组负荷减半且投油稳燃，经济损失严重。一次风机单边运行，极大地影响机组可靠稳定运行。

（ 2 ） 主轴两次断裂是扭转疲劳剪切断裂，主要原因是更换型号相同而忽略参数不同的电机，与风机不匹配，使主轴承受较大的扭转应力。

（ 3 ） 对备件轴应经过严格的金属检测，能很好地预防因为轴本身缺陷引起的断轴事故。

（ 4 ） 实现风机运行振动数据接入 DCS ，设置振动高报警信号，使集控室能有效监测，对风机故障能及时判断处理。

（ 5 ） 加强设备巡查力度，提高设备检测手段，能很好地预防类似事故发生。