从2003年10月起至2004年5月，该厂的四台机组在检修中相继发现汽轮机转子上存在多处裂纹，其中#2-#4机转子有三处裂纹，裂纹位置完全相同，均在调节级前轴肩圆弧过渡圆角处及第二弹性槽圆弧过渡圆角处，共三处，总体方向为径向，三裂纹均为整圈见图1b。1#机组发现汽轮机转子上有十处裂纹，位置除上述三处外，还包括调节级和第一级叶轮间两道；第一级叶轮和第二级叶轮间三道；第二级叶轮和第三级叶轮间两道。裂纹总体方向也是径向，只是深度略有不同，最深的是2#机组调节级前轴肩圆弧过渡圆角处裂纹达13.6mm，最浅的是4#机组第二弹性槽圆弧过渡圆角处裂纹也有3.3mm。
a、#2、3、4机组
图1 裂纹发生及测量位置示意图
注：A：调节级前轴肩圆弧过渡圆角处裂纹
B、C：第二弹性槽圆弧过渡圆角处裂纹
D、E：调节级和第一级叶轮间裂纹
F、H、J：第一级和第二级叶轮间裂纹
G、I：第二级和第三级叶轮间裂纹
1 原因分析
1.1 主要原因
转子是汽轮机组最重要的部件之一，其工作状态比较复杂，在高温、高转速情况下，既承担着巨大的离心应力及传递功率所产生的扭转应力，又承担着巨大的热应力，还可能产生弯曲、振动等。因此，对转子的结构及材料性能的要求特别苛刻。
高压转子的调节级及前三级压力级的变截面处及附近的弹性槽部位，由于机组启停过程中的机械应力和热应力会导致应力、集中，产生疲劳损伤，特别对调峰机组来说更为严重。自20世纪起，世界各国汽轮机、发电机转子断裂恶性事故就有20多起，其中较典型的如美国TVA Gallatin电站2号机在1974年6月冷态启动时中低压转子断裂。该机组1957年5月投运，至1974年6月累计运行106000小时，启停288次。失效分析表明：该转子的断裂为典型的疲劳-蠕变断裂。国内也有3-5起转子的断轴事故，近几年来，由于50MW机组多参与调峰运行，有几台机组汽轮机高压转子调节级前凹槽和轴封弹性槽先后出现严重的整圈裂纹，例如：如新疆红雁池发电厂的5~8号机；分宜发电厂6号机；广东韶关电厂6号机等。
1.1.1调峰期间热应力对转子的影响
热应力主要发生在高压转子的前几级和中压转子的前几级，它是由于转子各部分温度不均匀，各部分材料之间膨胀或收缩互相限制而引起的。温度如果反复变化，则材料受到反复变化的拉-压交变应力，温差越大，交变应力就越大。材料经过多次交变应力的作用之后，有可能产生疲劳裂纹，温差越大，产生疲劳裂纹的期间就越短。详细计算表明，如果蒸汽与转子的温差达到150℃，即使平滑的转子表面，其热应力也将达到材料屈服极限的数值，很快就会产生疲劳裂纹。由此可见，为了限制热应力，就必须限制蒸汽与转子的温差。此外，由于构成转子的材料相当厚大，各部分材料之间的热传导需要相当长的时间。于是，限制蒸汽的升温（降温）速率是限制热应力的另一个重要手段。这两个手段在汽轮机启动和停机时是非常重要的，这是因为在高速旋转的情况下，转子表面与蒸汽之间的热交换相当强烈，转子表面将很快被蒸汽所加热（冷却），而转子内部材料的热传导却十分缓慢，升温（降温）也就十分缓慢；此时，如果蒸汽很快升温（降温），那么转子表面也很快升温（冷却），其结果是很快加大转子本身的温差，造成极大的热应力。
特别要指出，所谓“甩负荷带厂用电”和“甩负荷维持空转”的做法是非常有害的。
1.1.2 热变形及蠕变影响
热变形也是一个应当注意的问题。在汽轮机启动、停机或汽缸疏水不畅时可能出现这种情况。热变形将会引起转子的弯曲，而发生弯曲的转子投入运行是很危险的。因此，必须对转子的弯曲度加以检测，严格限制弯曲度，在转子轴端外缘的晃度应不大于30μm。
蠕变现象是高、中压转子前几级的另一个应当注意的问题。这是高温区段的材料在离心应力的作用下，缓慢地发生塑性变形的现象，严重的蠕变损伤将导致材料的断裂。对于经历长期运行的汽轮机转子，应当检查叶轮外径的增大是否在允许的范围内。
1.2 机组启停操作原因
1.2.1启动前，汽封疏水门未开或未开足
机组启动前，应开启汽封来汽管疏水门，当该门未开或未开足情况下，疏水暖管时间不足，汽封管内疏水无法排走，使存水排至前汽封，管内存水温度一般远低于当时的转子温度，对转子前汽封造成突然冷却，产生较大的热应力。
1.2.2 汽封送汽温度与转子温度不匹配。
热态启动时，应先用高温蒸汽送汽封后抽真空，所用蒸汽可使用三段抽汽，也可根据汽缸温度用邻机一段抽汽，但如果没有明确汽缸在什么温度下，汽封用什么汽源，完全依靠运行人员经验，极可能出现运行人员对汽封汽源认识上的偏差，导致汽封送汽温度与转子温度不相匹配，汽源温度低于转子温度，对前汽封造成突然冷却。
1.2.3 邻机启动对转子寿命的影响。
当机组大、小修结束后，或机组找动平衡时，经常由于炉侧工作尚未结束或从节油角度考虑，多采用邻机汽源启动。在采用邻机启动的初始阶段，新蒸汽对金属进行剧烈的凝结放热，使汽缸和转子外表温度急剧上升，热冲击较大，造成转子热疲劳，热应力最大的部位仍是调节级处和高压侧轴封处，转子表面可能也会产生疲劳裂纹。
1.2.4 操作票流于形式
因操作票设计问题，原操作票上没有时间记录栏，无法对汽封送汽时间等重要步骤进行监控考核，运行人员不是操作一步划一个勾，而是工作完结后补，使操作票流于形式，即使出现操作失误，也不易发现操作上的问题，更不易进行考核。
1.2.5 机组调峰运行
机组调峰期间，个别情况下调度下令要求的机组启动时间给的不充足，为完成任务，运行值班员有时就会盲目缩短暖机、暖管等步骤的时间，缺乏保主设备意识。
1.2.6 机组启停频繁
4台机组自投运以来，调峰次数频繁，最高的已超过了1772次，平均每年达到50多次，增加了机组受到热冲击的次数，使机组长期受到过大的交变应力和热应力，引起材料内部微观缺陷的发展，造成热疲劳，产生裂纹，减少机组寿命。
1.3设备方面的问题
1.3..1汽封进汽疏水管偏细
汽封进汽疏水管管径为φ16×3mm，无法满足迅速疏水的要求。
1.3.2汽封管道上没有热工温度测点，缺乏监视手段。
2 缺陷处理
2.1 消除转子裂纹
虽然转子从出现裂纹到断裂还有很长一段时间，但一般出现裂纹的转子被认为是不安全的，需要经过车削处理以后才能再次投入使用。因此将转子送回制造厂家处理。
首先与汽轮机厂专家共同初步确定切削方案，即将转子裂纹车掉且对该位置的圆弧过渡的R角半径增大相应的尺寸，再根据提供的裂纹深度探伤结果进行应力分析，以弄清修复后转子应力水平变化情况，然后采用有限元方法，分析转子在三种载荷工况（即温度应力工况、离心应力工况、复合应力工况）下的应力，通过计算，在执行方案后，转子的最大应力水平将比原结构有所降低，这为转子重新服役提供了理论依据。
2.2 对4台汽轮机转子进行寿命评估
通过邀请有关方面的专家，依据转子的设计、制造、机组的运行历程和历次检修检查结果，对4台转子危险部位分别进行了应力分析和裂纹车削前与车削后的疲劳寿命估算。根据已处理的#3机报告显示：裂纹车削前转子危险部位的疲劳寿命损耗远大于转子的临界损伤分数0.70， 故已达其安全服役寿命；裂纹车削后转子的疲劳循环周次为155次，即机组可启停155次。
3 建议
对于已经达到安全服役寿命的汽轮机转子，为保证能够在今后的运行中安全稳定，特提出以下建议：
1、 重新审定《汽轮机运行规程》，本着减少转子热冲击的原则，尽量减缓机组启停过程中的速率和温度变化率，加强运行操作过程的检查。
2、 杜绝定参数启动方式。
3、 机组冷态启动禁止使用邻机汽源启动。
4、 尽力与省调度人员进行沟通，减少机组的调峰和启停次数。
5、 对不合理的系统进行改造，加装热工温度测点，加粗汽封进汽疏水管管径。
6、 要求检修部狠抓检修质量，减少因设备缺陷造成的停机。
7、 每年对机组开缸检查一次，重点检查已出现裂纹的部位，包括转子调节级前轴肩圆弧过渡处、前轴封弹性槽底部过渡圆角以及调节级后第一、二压力级部位。
8、 在可能的条件下，将机组运行方式由单元制改为母管制。
参考文献：
［１］ 李益民．发电厂３号汽轮机转子本体剩余疲劳寿命估算技术报告．国
电热设备工研究院材料工程技术中心
［２］ 华东六省一市电机工程（电力）学会编．汽轮机设备及其系统．中国电力出版社
