燃气轮机作动筒连杆断裂问题分析与解决

罗艾然

摘  要：某燃气轮机在工作过程中发生压气机作动筒可动U型夹断裂故障。本文采用故障树工具，通过冶金分析、设计复查、使用环境复查，对所有底事件进行排查，最后发现断裂原因为使用环境异常、受海水浸泡且材料在海水中的抗腐蚀性较弱使其产生应力腐蚀，在交变力作用下加速其破坏断裂。通过更换抗腐性更好的材料来解决这一问题。

关键词：燃气轮机;压气机;作动筒;断裂问题

1故障现象

某燃气轮机在工作中发现排气装置处喷火，紧急停车。随后起动两次均失败。经检查，发现其右作动筒组件中可动U型夹及叶片角位移传感器断裂。故障件为可动U型夹，是可调静子叶片操纵系统的一部分，起连接作动筒和操纵机构的作用。断裂位置在与作动筒活塞杆相连的螺纹处。

2故障树

为分析作动筒可动U型夹连杆断裂原因，综合考虑设计、加工和使用等方面，建立作动筒可动U型夹连杆断裂故障树，共涉及底事件10项，图为所建立的故障树。

3故障原因分析

3.1 冶金分析

对故障件进行宏观检查、断口检查、金相检查。

宏观检查发现断裂位置正好位于可动U型夹与活塞螺纹连接处。可动U型夹及作动筒外表均有明显的腐蚀痕迹。作动筒活塞杆表面有一侧存在明显的磨痕对应可动U型夹断口的带定位销一侧。

断口检查发现断裂面基本与螺母面平齐，无塑性变形。斷口表面有明显的锈迹，其中中部生锈相对明显，断口也较为粗糙，颜色为橘红色;而两端锈迹较少，相对平坦，颜色为灰棕色，靠近定位销侧的断口面无锈迹面积较大。清洗后放大观察断口可见，锈迹较少的断口为沿晶断口，未见疲劳弧线、放射棱线形貌，局部有二次裂纹;其中靠近定位销附近的断口边缘可见泥纹花样，腐蚀产物较多。进一步能谱分析表明，该处Cl含量达到2.88%，而靠近中部断口区域无明显腐蚀处Cl含量为1.3%。根据断口形貌和成分初步判断，可动U型夹断裂主要从靠近沿定位销的表面多处起始，断口源区因覆盖较多腐蚀产物无法观察微观特征。另一侧断口（定位销对面）也为沿晶断口，靠近螺纹表面处也有明显的腐蚀产物。其扩展面积小于靠近定位销一侧的断口区，应为次源。断口中部较为粗糙，应为最后断裂区，表面锈蚀严重可能与断口相对粗糙，更易腐蚀有关。

在可动U型夹螺纹杆上切取一段磨制金相试样，观察金相组织，观测面距断口约10mm。腐蚀后可见金相组织为马氏体组织。边缘组织和心部组织未见差别，未见晶间腐蚀形貌。但在边缘可见明显的两处腐蚀坑，腐蚀坑附近有晶粒剥落，坑底裂纹呈沿晶形貌。

冶金分析结果：作动筒可动U型夹表面存在大量锈斑表明在工作环境中受到明显腐蚀。其螺纹杆在螺纹根部断裂，断口平齐，无塑性变形，为表面多源起始，断口表面有含Cl元素的腐蚀产物（泥纹花样），符合应力腐蚀主要特征。可动U型夹螺纹杆断裂为应力腐蚀断裂。

3.2 设计复查

对故障件进行结构设计复查、受力情况复查、材料力学性能复查、耐腐蚀性复查和表面处理复查。

结构设计复查，复查设计间隙，结果表明间隙设计合理，不会发生干涉问题。

受力情况复查，在平行于操纵支架平面、垂直于作动筒轴线方向上，在三级曲柄垂直于作动筒轴线时存在约310N的力。根据气动力情况复查结果，气动力导致的可动U型夹连杆始终受拉力，大小约为700N。由上述两项复查结果综合分析可知，在三级曲柄垂直于作动筒轴线状态下，活塞向打开方向运动时所受的合力最大。因此，作动筒筒体最大磨损位置应该在平行于操纵支架平面、垂直于作动筒轴线方向，且靠近操纵支架一侧。根据实物磨损状态复查情况，磨损量最大的位置正位于平行于操纵支架平面、垂直于作动筒轴线方向，且靠近操纵支架一侧。

复查材料力学性能，故障件材料为1Cr17Ni2，复查故障件图纸，其规定的热处理制度对应的σ0.2为835MPa，力学性能满足设计要求。

耐腐蚀性复查，复查材料手册，在不同回火温度下的耐腐蚀性能见表3。故障件的回火温度为500～540摄氏度，由表中数据可知，零件的回火温度处于腐蚀失重值较大的区域，为易于腐蚀的回火温度区间。因此，材料的耐腐蚀性差为故障发生的原因之一。

表面处理复查，复查图纸，图纸中无化学钝化或表面涂耐腐蚀漆或耐腐蚀涂层要求。因此，零件表面没有钝化或表面无涂耐腐蚀漆或耐腐蚀涂层要求，是故障的原因之一。

3.3 使用环境复查

现场复查发现，断裂的可动U型夹表面及与可动环连接面均有严重的锈蚀现象发生。燃机表面潮湿，为从船舱上方持续滴入的水迹。检查左侧作动筒及可动U型夹，未发现有裂纹或锈蚀现象，检查其他舰艇的左右操纵系统，也未发现锈蚀现象。且均未发现水迹。因此，使用环境异常，即船舱漏水导致燃机故障部位受海水浸泡可能为诱发此次可动U型夹螺纹杆断裂的原因之一。

3.4故障原因分析结论

1）船舱漏水导致故障件长期受海水腐蚀是可动U型夹早期腐蚀的直接原因;

2）材料热处理制度处于耐腐蚀性较弱的区域，且表面未进行防护处理是可动U型夹早期腐蚀的根本原因;

3）活塞杆受平行于操纵支架平面、垂直于作动筒轴线方向上的交变弯曲力作用，在腐蚀产生局部破坏以后，在交变弯曲力的作用下，加速破坏区的扩展，最终导致可动U型夹螺纹杆断裂破坏。

4.排故措施

通过计算分析，0Cr17Ni4Cu4Nb材料的力学性能满足设计要求;

0Cr17Ni4Cu4Nb在人造海水和大气中放置两年，试样表面几乎无腐蚀痕迹。且该燃机作动筒活塞材料是0Cr17Ni4Cu4Nb，同样的应用环境下，作动筒筒体和可动U型夹均存在较严重的锈蚀，但位于两者之间的活塞，未见锈迹，且活塞在燃机停机时为伸出状态，活塞杆会暴露在外部环境中，证明该材料的抗腐蚀能力优于原材料，在故障发生环境下具有较好的抗腐蚀性能。

因此排故措施为：将可动U型夹材料由1Cr17Ni2更改为0Cr17Ni4Cu4Nb，热处理硬度HB=277～352，并在表面进行化学钝化。

复查该燃气轮机压气机部分图纸，整理出全部1Cr17Ni2材料。对相同的材料举一反三，贯彻排故措施，并择机贯彻到已装机产品中。

5.总结

本文通过故障树的工具，分析了某燃气轮机压气机作动筒可动U型夹断裂问题。借助故障树将问题原因分解为10个底事件，针对各个底事件开展复查分析工作，通过冶金分析、设计复查、使用环境复查分析得出故障原因。再通过查阅相关文献资料以及同机其他零件的抗腐蚀情况，制定了排故措施，排故措施在故障部位的其他零件上验证有效。

参考文献

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