基于失效分析法與FTA法的葉片安全性研究

　　近年來(lái)我國沿海鉆井平臺使用的不同型號的燃氣輪機曾發(fā)生葉片斷裂事故，造成嚴重損失。為了更好解決燃氣輪機葉片斷裂的分析、預防與維護等問(wèn)題，在應用裂紋分析技術(shù)及斷口分析技術(shù)進(jìn)行葉片失效分析的基礎上，建立燃氣輪機葉片故障樹(shù)，運用故障樹(shù)定性分析原理，對葉片進(jìn)行故障根本原因推理，結合失效分析與故障原因分析所得的結論，提出了針對性的預防維護建議。將此方案成功應用于工程實(shí)踐，對于燃氣輪機葉片的安全可靠運行提供良好的保障。

1、前言

　　葉片作為燃氣輪機的重要部件，在運行過(guò)程中負載情況復雜，具有轉速高，溫度高的運行特點(diǎn)，工作條件惡劣。長(cháng)期運行的葉片，會(huì )出現不同程度的裂紋，最終葉片斷裂會(huì )對整個(gè)機組的安全運行帶來(lái)嚴重的威脅。據安聯(lián)公司統計，葉片失效事故的發(fā)生率占燃氣輪機總事故率的比重高達42%。所以對于海上平臺燃氣輪機葉片健康性研究有著(zhù)重要的意義。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為迫切需要提出一個(gè)能夠分析葉片失效機理、推理故障原因并制定預防維護建議的整體方案，來(lái)協(xié)助海上平臺的工程師們解決燃氣輪機葉片故障問(wèn)題。

　　本文提出一種基于失效分析法與故障樹(shù)分析法相結合的研究方案。對國內外燃氣輪機葉片失效資料進(jìn)行搜集并總結歸納特征，研究分析葉片失效的典型案例，應用故障樹(shù)分析法(FTA)，建立燃氣輪機葉片故障樹(shù)。在應用裂紋分析技術(shù)及斷口分析技術(shù)進(jìn)行葉片失效分析的基礎上，充分利用失效分析得出的葉片失效機理及直接原因，結合燃氣輪機葉片故障樹(shù)，進(jìn)行故障根本原因推理及分析，最終提出有效預防及維護建議。

　　針對海上平臺某型號的燃氣輪機多次發(fā)生的葉片斷裂故障，將此方案應用于現場(chǎng)葉片失效分析及故障原因分析研究，為燃氣輪機的健康性運行提供了保障。具有較強的工程實(shí)踐價(jià)值。

2、燃氣輪機葉片故障樹(shù)的建立

　　故障樹(shù)分析法(FTA)是從分析失效因果關(guān)系中的頂事件開(kāi)始直至底事件，由結果到原因、自上而下進(jìn)行。一個(gè)故障樹(shù)就是一個(gè)邏輯圖，該邏輯圖描繪了事件之間發(fā)生的次序。故障樹(shù)法是對復雜系統進(jìn)行可靠性分析的有效工具，分析的目的在于判明基本故障，以此確定故障的原因。

　　葉片故障的失效模式包括振動(dòng)、疲勞、異物損傷、腐蝕、侵蝕、硫化、磨損和蠕變等。盡管使用成熟可靠的設計工具，葉片故障仍然普遍存在于壓氣機和渦輪機。通過(guò)對燃氣輪機葉片故障失效模式的分析研究，同時(shí)結合燃氣輪機中其他相關(guān)組件或系統狀態(tài)與對片狀態(tài)的影響，以美國燃氣輪機葉片專(zhuān)家Meher-Homji對于20年內重型工業(yè)型燃氣輪機和航改型燃氣輪機葉片故障的數據統計及典型案例為依據，運用故障診斷邏輯性原理建立燃氣輪機葉片故障樹(shù)，如圖1，2所示。

圖1 燃氣輪機葉片故障樹(shù)1

圖2 燃氣輪機葉片故障樹(shù)2

　　本燃氣輪機葉片故障樹(shù)對葉片疲勞故障、葉片脆變故障、葉片熱氣侵蝕故障、葉片沖蝕/磨損故障、葉片受環(huán)境沖擊故障、葉片的蠕變損壞故障、葉片綜合機械故障及燃料燃燒系統故障等8種典型故障模式進(jìn)行詳細研究，分析故障機理，還原故障形成過(guò)程，推斷故障根本原因，共考慮到54個(gè)底事件，即引起葉片故障的可能根本原因，如表1所示。

表1 燃氣輪機葉片故障樹(shù)基本事件

4、葉片安全性維護建議

　　這類(lèi)燃氣輪機一級渦輪葉片的斷裂故障，通過(guò)基于失效分析與故障樹(shù)分析所得的失效機理及故障根本原因，可知實(shí)例中的葉片斷裂故障是諸多因素聯(lián)合作用的結果�；�于此結論對其他運行狀態(tài)下的燃氣輪機發(fā)電機組提出以下維護建議:

　　(1)由于葉片在非正常工況條件下工作時(shí)易產(chǎn)生疲勞失效，為保證工作環(huán)境的質(zhì)量，首先必須確保工作燃料有可靠的質(zhì)量，既避免燃料中混有腐蝕性雜質(zhì)，并且保證了燃燒溫度控制在正常范圍內，不發(fā)生超溫，這就要求對進(jìn)入燃燒系統的燃料進(jìn)行檢測或處理，并通過(guò)監控系統調控工作溫度。其次，減少滿(mǎn)載緊急停車(chē)的次數，從而減小熱端部件的不均勻膨脹。

　　(2)對于葉片由于轉子和靜子部件之間或密封處的徑向和軸向磨損造成的葉尖及葉片表面磨損，可以在葉尖定時(shí)測量的基礎上，實(shí)現葉尖間隙的主動(dòng)控制，及時(shí)調整葉尖間隙，使其穩定在最佳間隙范圍內。

　　(3)對于高溫氧化及硫化作用下引起葉片熱腐蝕，與冷卻系統的正常運行有著(zhù)密切的關(guān)系，通過(guò)對冷卻通道的定期清潔，避免阻塞，對于散熱孔進(jìn)行定期維護，避免散熱孔變形及沉積物的阻塞，可防止超高溫環(huán)境的出現。

5、結語(yǔ)

　　本文在對燃氣輪機斷裂葉片進(jìn)行失效分析的基礎上，運用故障樹(shù)分析法對故障葉片進(jìn)行故障根本原因分析研究，通過(guò)計算燃氣輪機葉片故障樹(shù)的最小割集，結合失效分析結論對實(shí)例中的故障葉片進(jìn)行推理，分析引起葉片斷裂的根本原因，并針對引起故障的根本原因提出相應維護建議，對燃氣輪機葉片安全性研究具有積極的作用�；�于失效分析法與故障樹(shù)法相結合的技術(shù)不僅適用于燃氣輪機葉片故障的診斷、預防與維護，針對燃氣輪機常出現的軸承失效、喘振現象、燃燒系統故障、啟動(dòng)失效、齒輪失效等其他幾種失效形式同樣適用，并且相關(guān)工作正在研究開(kāi)發(fā)之中。