1引言

高炉炼铁产生大量副产品高炉煤气，具备较高的含碳量，直接排放将会引起大气污染，同时也具备一定的热值，可作为气体燃料。CCPP机组是利用高炉煤气作为主要燃料，同时参混一定量的焦炉煤气，煤气燃烧产生热量推动燃气轮机、蒸汽轮机、发电机等转动机械运转发电，创造经济效益。因此，CCPP机组肩负着平衡企业高炉煤气放散率以及保证发电量、减少公司倒供电的环保与经济双重指标任务。确保发电机组的稳定、高效运行至关重要。

高炉煤气压缩机是CCPP发电机组煤气供给系统的主要设备，高炉煤气压缩机组转子叶片材质缺陷、机组振动异常等造成压缩机故障，从而影响机组的正常运行。近几年发生多起高炉煤气压缩机叶片断裂事故，均造成发电机组非计划停机，导致严重的经济损失。本文对CCPP机组低压煤气压缩机叶片断裂事故原因进行了简要分析，并结合现状提出针对性地预防改进措施。

2煤气-蒸汽联合循环发电技术

CCPP机组主要由煤气供给系统、燃气轮机系统、余热锅炉系统、蒸汽轮机系统及发电机组系统五大组成，该煤气-蒸汽联合循环原理图如图1所示。

CCPP工艺流程：1/2号机辅助蒸汽推动蒸汽轮机运转，通过齿轮箱变速后带动高、低压煤压机压缩、空压机和燃气轮机运转。起初利用空压机吹扫燃烧室，当具备点火条件时，煤压机将除尘加热的高炉煤气输送至燃烧室，与压缩空气混合燃烧，将热能转化为旋转机械能推动燃气轮机做功；燃气轮机做功的排汽进入余热锅炉，加热高、中、低压汽包的给水产生高品质的蒸汽，汽轮机

将热能转化为旋转机械能做功，进而带动发电机组完成机械能转化为电能发电。所有转动设备同轴连接，空压机、高、低压煤压机直接利用旋转机械能驱动，转换效率高。

3低压煤气压缩机叶片断裂原因分析

3.1低压煤气压缩机概况

该CCPP机组用高炉煤气压缩机采用离心式和轴流式两级串联运行，低压煤气压缩机为MAN公司制造静叶角度可调、转子叶片15级组成的轴流式压缩机，设计进/出口温度：35/℃；设计进/出口压力：0./0.6MPa；容积流量：m3/h。转子叶片、承缸静叶片均采用具备良好的力学性能和抗氧化腐蚀性能的2Cr13马氏体型不锈钢材料[2]，该材料也被广泛用于制造汽轮机叶片、大型轴流式压缩机叶片等高速旋转机械的构配件[1]。

低压煤气压缩机自CCPP机组投产以来，多次停机检修时在压缩机出口煤气管道检查到低压煤气压缩机断裂叶片碎片，不得不对压缩机开缸检查、确认，并同步对后续转动设备高压煤气压缩机及燃气轮机叶片进行检查。尤其是~年，低压煤气压缩机转子叶片发生频繁断裂，或者叶片检测出裂纹，严重影响了电力生产。

分析低压煤气压缩机历次叶片断裂的原因，均因叶片材质疲劳所致，主要是在机组运行期间压缩机转子及叶片等部件承受交变载荷引起材料疲劳[8]。尤其是第5级、第12级叶片分别出现缺陷次数达到4次、3次，为缺陷较为集中的级数。

然而，年低压煤气压缩机更换了全新的转子叶片，运行3个月后第5级转子动叶片断裂1片；年全新动叶片上级运行约45天，12级转子叶片断裂1片，13级转子叶片断裂3片，14级转子叶片断裂1片，均为全新叶片。

3.2低压煤压机叶片断裂原因分析

3.2.1低压煤压机叶片断裂基本情况

低压煤气压缩机转子于年B级检修上机，采用全新的动、静叶片，且针对年叶片断裂的原因进行了如下改进：其一，第5~9级的动叶形面采用喷丸强化处理+热喷涂防腐处理，第1~9级的动叶纵树根部位采用喷丸强化处理，以延长叶片抗疲劳寿命；其二，转子修复中，根据煤压机动叶片设计、强度计算，在不影响机组性能参数下，对单片动叶片进行了必要的频率修正，对动叶片激振频率进入或靠近共振频率区域的，也做了修形优化处理，以提高机组运行的可靠性。

CCPP机组运行期间因低压煤气压缩机出口流量、压力下降，高、低压煤气压缩机防喘阀动作，导致煤气供给量不足，燃烧室全火焰丧失引起机组脱扣。通过分析故障发生时压缩机运行曲线及介质流量特性、振动特点等，判断低压煤气压缩机叶片断裂。开缸检查，发现11~15级动、静叶片损坏严重，其中动叶12、13、14级分别断裂1片、3片、1片，断口图片如图2所示。

3.2.2化学成分分析

依据GB/T-汽轮机叶片用钢规范，对断裂叶片12级、13-3、14级取样分析，化学成分检测显示，叶片材质均符合2Cr13各合金元素含量，结果如表1所示。经对比国家标准及历史检测记录分析，试验叶片材质符合标准要求。

3.2.3力学性能检查及金相组织分析

依据GB/T-汽轮机叶片用钢规范，对12、13、14级断裂叶片（2Cr13）进行力学性能分析，因断裂结构特征所限，仅针对性地分析冲击功及硬度2个重要的指标，结果如表2所示。

试验结果显示，试验叶片的冲击功和硬度两项力学性能指标均符合标准要求。对第13级断裂叶片的过渡弧部位取样做金相组织分析，叶片最终的组织状态显示为回火索氏体，符合该材料的调质处理要求，且夹杂物总量符合标准要求。

3.2.4宏观断口分析

针对第12级、13级、14级转子叶片的断裂叶片进行断口宏观分析，如图3所示。从图3可以看出，叶片的断口均发生在叶根榫槽出，此处为叶片集中受力区域[6]。第12级断裂叶片为后橼起裂的高周疲劳；第13级3片分别为后橼起裂、背弧中点起裂、后橼与背弧中点共同起裂3种情况的高周疲劳；第14级断裂叶片为外物损伤断裂，为第12、13级断裂叶片碎片撞击所致，表现为韧性断口。

图中断裂叶片叶根呈蓝色，检查第12-15级隔叶块也呈现发蓝的情况，然而CCPP机组低压煤气压缩机煤气出口温度设计值为℃，最大允许温度为℃，运行时温度低于℃左右，不足以导致叶片叶根和隔叶块发蓝，尤其是运行时间只有45天。因此，认为发蓝情况的原因之一是叶片在装配完成后未锁紧，致使转子高速运转、叶片受交变载荷，叶根与隔叶块相互摩擦产生的高温所致。

3.2.5断口微观分析

以13-1断裂叶片为样本对其断口进行微观分析，图4为断裂叶片的微观形貌。从4张图分别可以看出，其断裂源未发现明显材料缺陷，背散射电子相显示涂层与基体出现了龟裂，而未裂部分结合较好，低倍即表现出明显的疲劳弧线。

3.2.6频率分析

考虑叶片固有频率对机组运行期间可能造成振动异常而使叶片损坏，年由制造厂家对转子动叶片进行模型分析，对原有叶片进行细微修正。通过对改型前后振动频率避开率的对比，可以得出，叶片的改型使得现转子叶片第4、9-12、14-15级动叶片避开率得到改善，符合相关规定的范围。但第8级S1的避开率为4%~7%，避开率较小；13级动叶S1的避开率仅为0.1%~1.4%，频率无法避开，因此，理论上第8、13级叶片存在S1共振的可能。

按照轴流式压缩机相关设计规范可知，当叶片的固有频率无法完全避开时，叶片的弯曲应力将超标。

4低压煤气压缩机叶片断裂原因汇总及预防措施

4.1低压煤压机断裂原因

通过对断裂叶片的理化性能、断口特性及转子叶片振动特性的分析，低压煤气压缩机转子叶片断裂有以下原因综合所致：

（1）压缩机介质因素：低压煤气压缩机工作介质为高炉煤气（BFG），煤气介质因含有S、Cl等腐蚀性微量元素，致使在一定的条件下叶片材料的疲劳极限相比空气会更小，导致叶片断裂的应力会更小。

（2）叶片固有频率因素：原设计叶片第4级、第8-15级动叶片频率避开率不足，存在共振可能；对转子叶片修频后第8级频率S1避开率不足，第13级完全不能避开，致使叶片发生S1共振、动应力超标。

（3）装配因素：转子叶片、隔叶块装配时未锁紧，致使转子在高速运转过程中存在相互摩擦，亦会影响叶片的振动特性。

（4）运行中叶片受力因素：机组运行过程中防喘阀动作，导致叶片受气流瞬间冲击力，将会加速叶片的疲劳损坏；在机组启动过程中，机组在通过临界转速区时将会产生共振，从而造成对叶片的寿命影响，尤其是机组多次频繁启动，影响更为严重。

4.2预防措施

（1）因高炉煤气含有S、Cl等腐蚀性微量元素，因此，可考虑5、6、7、8、11、12、13、14、15级共9级动叶材料采用0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4），提

高抗疲劳强度，尤其是加强应力集中的叶根榫槽处抗疲劳强度，其余动叶材质不变。

（2）为了提高低压煤气压缩机叶片具备更好地抗腐蚀性，动、静叶片均采用了超音速等离子喷涂防腐层，尤其是本次喷涂，防腐层厚度远远超过了~μm的设计值，局部位置厚度达到~μm，防腐层与叶片表面的接触紧密度亦值得考究，这两项均将改变叶片的固有频率，从而导致共振的发生；加之考虑到叶片修型后仍然无法避开共振区间，建议叶片不再使用防腐层，恢复叶片至MAN原始设计叶型。

（3）加强运行技能水平、提升设备管理能力，减少因机组非停造成气流对低压煤压机叶片的冲击，进而减少因工况变化时叶片承受的交变应力使叶片局部高应力区域应力集中而萌生微裂纹的几率；在机组启动过程中，快速通过临界转速区，以尽可能缩短共振时间；考虑到BFG热值低及热值变化的特性，建议修正低压煤压机喘振曲线，防止机组运行时因BFG热值变化导致流量突变而引发的喘振。

5结论

通过化学、力学性能分析，结合微观、宏观分析，低压煤压机叶片断裂为叶片自振频率的激励共振避开率不足、叶片防腐涂层以及叶片装配等综合因素造成叶片的疲劳断裂，煤气介质下叶片材料的疲劳极限相比空气会更小，亦是诱发叶片疲劳断裂的原因之一。

加强对装配的管理，采用抗疲劳强度更强的材料或者针对性提高应力集中部位，剔除因叶片防腐涂层引发叶片振动特性改变的因素，加强设备的管控是目前可以采取的可行预防措施。