一种应用于燃气轮机压气机拉杆螺栓的故障分析方法

技术领域

本发明属于故障分析领域，涉及一种应用于燃气轮机压气机拉杆螺栓的故障分析方法。

背景技术

压气机拉杆螺栓是构成燃气轮机转子的重要组成部件，对于大功率的重型燃气轮机来说，压气机拉杆螺栓一般以周向环状布置，工作条件具有转速高、温度高、载荷变化复杂的特点，这对压气机拉杆螺栓的设计、制造、安装等环节都提出了苛刻的要求。由于拉杆组合转子是燃气轮机的核心工作部件，其故障占据了燃气轮机总故障数的六成左右，为燃气轮机的持续安全运行带来很大的隐患。

但现有技术中对燃机故障分析缺乏样本和经验，仅对普通螺栓力学行为有一定的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于燃气轮机压气机拉杆螺栓的故障分析方法，综合考虑了多种因素，固化了故障分析流程，提高了燃机拉杆转子故障分析的效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种应用于燃气轮机压气机拉杆螺栓的故障分析方法，包括以下过程：

S1，现场对拉杆螺栓和螺母的损伤情况进行勘查；

S2，获取燃气轮机的运行历史数据，判断燃气轮机是否存在非正常运行的问题；

S3，获取燃气轮机的检修历史数据，判断燃气轮机是否存在检修问题；

S4，对拉杆螺栓和螺母进行理化检验和外形检查，判断拉杆螺栓和螺母是否存在材料、制造或安装的问题；

S5，建立转子的有限元模型，判断拉杆螺栓和螺母是否存在的设计问题；

S6，将S1-S5得到的判断结论进行汇总，判断得出拉杆螺栓和螺母的故障原因。

优选的，S2中，获取燃气轮机的在故障发生前3-5个月的运行历史数据。

优选的，S2中，燃气轮机非正常运行问题包括过负荷、超速、非正常甩负荷和非正常停机。

优选的，S3中，检修问题包括检修周期不合规、不及时、不规范、漏检和误检。

优选的，S4中，理化检验包括化学成分分析、力学性能试验和金相组织检验。

优选的，S4中，外形检查的对象为断口与承载面的表面形貌。

进一步，外形检查采用宏观检查、低倍观察、扫描电镜观察和/或微区成分分析。

优选的，S5中，有限元模型建立后，采用数值方法对其进行强度分析，模拟拉杆组合转子实际承受的载荷情况，得到拉杆螺栓和螺母在上述载荷下的形变和应力分布特征，进而判断拉杆螺栓和螺母是否存在设计的问题.

进一步，拉杆组合转子实际承受的各种载荷情况包括预紧力、重力和旋转离心力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过基于多学科交叉，突破了传统分析方法手段单一的局限性，综合考虑了可能引起燃机压气机拉杆螺栓故障的设计、材料、制造、安装、检修、运行因素，固化了故障分析流程，实现对燃气轮机压气机拉杆螺栓全面精确的故障分析，提高了燃机拉杆转子故障分析的效率，为进一步提高燃气轮机拉杆组合转子故障分析研究水平提供基础。

进一步，克服了现有分析方法边界条件过于简化，远离燃机运行工程背景的缺点，将真实燃机转子载荷作为边界条件，从而得到精确的故障分析结果。

附图说明

图1为本发明的燃机压气机拉杆螺栓故障分析方法流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，为本发明所述的应用于燃气轮机压气机拉杆螺栓的故障分析方法，包括如下步骤：

步骤1，现场勘查评估。

对发生压气机拉杆螺栓故障的燃气轮机机组概况进行了解，调查故障发生过程和处理情况，检查轴承振动数据，现场勘查拉杆螺栓及相关损伤部件，记录部件损伤情况，对故障原因进行初步判断。

步骤2，调查燃气轮机的运行历史数据。

调查故障前n月内故障机组的运行监控历史数据，n一般为3-5,重点检查机组是否按照运行规范操作，是否存在过负荷、超速运行、甩负荷不当、停机不当等可能引起转子拉杆螺栓损伤失效的错误操作。

步骤3，调查燃气轮机的检修历史数据。

调查故障前的机组检修历史记录，鉴于国内目前没有完全实现重型燃气轮机检修的自主化，检查重点在于判断检修周期、流程是否严格按照燃机生产厂商给出的技术要求以及是否接受了相关厂商技术人员的监督指导，另外对部件检测的情况也需要进行检查以判断故障部件在检修检测中是否正常；依据检修章程，判断检修周期是否合规，是否存在检修不及时、不规范、漏检、误检等问题。

步骤4，对拉杆螺栓进行理化检验和外形检查。

通过宏观检测、无损检测、断口扫描电镜观测、微区成分分析等手段对发生故障的燃气轮机压气机拉杆螺栓及螺母进行理化检验，观察故障部件表面的裂纹、氧化、接触、腐蚀情况，主要为断口与承载面的表面形貌。

检验部件材料的化学成分、硬度、拉伸性能、冲击性能、金相组织等特性是否符合厂商提供的材质检查证明书和相关国标要求。

依据材料国家标准，判断部件材质是否合规，对拉杆螺栓和螺母进行外形检查，依据设计公差要求，判断部件外形尺寸是否在规定的加工误差范围内，调查拉杆螺栓安装后的预紧力是否符合设计要求以及部件受力后的外形尺寸是否在要求范围内。在断裂故障中需进行断口分析以判断故障的可能原因。

步骤5，数值强度分析。

建立转子三维有限元模型，应包括转子各级轮盘、压气机拉杆螺栓、进气端螺纹等特征，采用数值方法分析压气机拉杆螺栓的强度，施加载荷包括预紧力、重力、旋转离心力等拉杆组合转子承受的实际负荷，从而对不同工况下的拉杆螺栓形变和应力分布特性进行分析，判断部件设计强度是否满足实际载荷，是否存在超出材料许用应力范围，导致部件故障失效的设计因素。

步骤6：通过步骤1-5汇总可能导致燃气轮机压气机拉杆螺栓故障的设计、材料、制造、安装、运行、检修等因素，综合判定压气机拉杆螺栓和螺母的故障原因。

采用上述过程开展燃气轮机压气机拉杆螺栓故障分析的具体研究。

步骤1，在某燃机机组发生压气机拉杆螺栓断裂故障后，首先了解故障发生过程及处理情况，现场勘查拉杆螺栓断裂形貌、断裂残体、叶栅叶片及其他相关部件损伤情况，测量记录相关尺寸数据，取样做进一步检测分析。

步骤2，调查运行监控历史数据，判断是否存在过负荷、超速、甩负荷不当、停机不当等可能引起拉杆螺栓断裂的错误操作。

步骤3，调查检修历史数据，判断检修周期是否合规，检修流程是否合规，检修过程是否有指定技术人员现场监督指导，重要部件是否检测以及检测结果是否正常。

步骤4，对拉杆螺栓等故障部件样品进行材质理化检验与外形检查，理化检验包括化学成分分析、力学性能试验、金相组织检验等，外形检查指断口与承载面等关键表面的形貌观察与分析，手段包括宏观检查、低倍观察、扫描电镜观察、微区成分分析等。

步骤5，采用有限元方法分析在预紧力、重力、变转速等不同工况载荷下的转子、拉杆螺栓及螺母的变形和应力分布情况，判断螺栓强度设计是否满足实际运行要求。

步骤6，综合上述步骤的分析结果，排除材料、制造、安装、检修运行等因素，认为转子高速运转时拉杆螺栓螺纹产生的周期性交变应力过大是导致断裂故障的主要原因，这与拉杆螺栓的安全性设计有关。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。