กังหันไอน้ำมีแรงสั่นสะเทือนพุ่งสูงผิดปกติที่ชั้นสุดท้าย – การประเมินรอยร้าวล้าของใบพัดและการเชื่อมต่อลวดรัด (Tie-wire)

กังหันไอน้ำ (Steam turbine) ที่ดูเหมือนจะทำงานได้ตามปกติ แต่จู่ๆ กลับมีระดับแรงสั่นสะเทือนพุ่งสูงขึ้นอย่างกะทันหันเมื่อถึงระดับโหลดที่กำหนด หรือมีจุดพีกความถี่ใหม่ๆ ปรากฏขึ้นในกราฟสเปกตรัมความสั่นสะเทือน หรือมีการแจ้งเตือนแรงสั่นสะเทือนซ้ำแล้วซ้ำเล่าทุกครั้งที่เร่งกำลังการผลิต อาการเหล่านี้ไม่ใช่แค่สัญญาณของโรเตอร์เสียสมดุล (Rotor unbalance) หรือตลับลูกปืนชำรุดเพียงเท่านั้น

สำหรับกังหันไอน้ำขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใบพัดชั้นสุดท้าย (Last-stage blades) ฝั่งแรงดันต่ำ (LP) ต้นตอของปัญหามักเกิดจากรอยร้าวล้า (Fatigue cracking) บนตัวใบพัดเอง หรือเกิดการแตกร้าวบริเวณจุดเชื่อมต่อระหว่างใบพัดกับลวดรัด (Tie-wire / Lacing wire)

รอยร้าวในระยะเริ่มต้นมักจะมีขนาดเล็กมากระดับไมโคร และไม่สามารถมองเห็นได้ในระหว่างการตรวจสอบด้วยสายตาตามรอบปกติ อย่างไรก็ตาม รอยร้าวดังกล่าวได้เข้าไปเปลี่ยนแปลงค่าความแข็งตึง (Stiffness) ความสามารถในการซับแรงสั่นสะเทือน (Damping) และความถี่ธรรมชาติ (Natural frequency) ของใบพัดไปเรียบร้อยแล้ว

ด้วยเหตุนี้ กังหันจึงอาจแสดงอาการสั่นอย่างรุนแรงเฉพาะในช่วงโหลดหรือช่วงความเร็วบางแถบความถี่เท่านั้น ในขณะที่ยังคงทำงานค่อนข้างนิ่งในโหมดการเดินเครื่องแบบอื่น ความคลุมเครือนี้เป็นเหตุผลที่ทำให้รอยร้าวของใบพัดจำนวนมากถูกเพิกเฉย จนกระทั่งแรงสั่นสะเทือนพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว หรือเกิดความเสียหายร้ายแรงจนใบพัดแตกหัก

สัญญาณเตือนที่ชี้ว่าใบพัดกังหันไอน้ำอาจเกิดรอยร้าวล้า

โรงไฟฟ้าควรให้ความสำคัญกับการตรวจสอบชุดใบพัดชั้นสุดท้ายเป็นอันดับแรก หากปรากฏอาการต่อไปนี้อย่างน้อยหนึ่งรายการ:

• แรงสั่นสะเทือนพุ่งสูงขึ้นอย่างชัดเจนเมื่อกังหันแตะถึงระดับโหลดที่กำหนด
• กังหันมีแรงสั่นสะเทือนปกติขณะเดินเครื่องโหลดต่ำ แต่สั่นสะเทือนอย่างรุนแรงเมื่อเร่งกำลังการผลิต
• กราฟสเปกตรัมความสั่นสะเทือนปรากฏจุดพีกความถี่ใหม่ๆ หรือจุดพีกเดิมมีแอมพลิจูด (Amplitude) เปลี่ยนแปลงไป
• ความถี่ของแรงสั่นสะเทือนเกิดการเคลื่อนตัว (Shift) เมื่อเทียบกับฐานข้อมูลเดิมในอดีต
• สัญญาณเตือนแรงสั่นสะเทือนดังขึ้นซ้ำๆ ในระหว่างกระบวนการเพิ่มหรือลดโหลด
• มีเสียงรบกวนผิดปกติเล็ดลอดออกมาจากบริเวณตัวเรือนกังหันฝั่งแรงดันต่ำ (LP casing)
• แรงสั่นสะเทือนยังคงไม่หายไป แม้ว่าจะทำการปรับสมดุลโรเตอร์และตรวจสอบสภาพตลับลูกปืนแล้วก็ตาม
• คุณลักษณะของแรงสั่นสะเทือนมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงไปหลังจากการเดินเครื่อง (Startup) ทุกครั้ง

อาการเหล่านี้เป็นตัวบ่งชี้อย่างชัดเจนว่า พฤติกรรมทางพลศาสตร์ของชุดใบพัดอาจเปลี่ยนแปลงไปแล้ว รอยร้าวทำให้ความแข็งตึงของใบพัดลดลงหรือผิดเพี้ยนไป ส่งผลให้ความถี่ธรรมชาติและความสามารถในการกระจายพลังงานการสั่นสะเทือนไม่เหมือนเดิมอีกต่อไป

ทำไมใบพัดชั้นสุดท้ายจึงเกิดรอยร้าวล้าได้ง่าย?

ใบพัดชั้นสุดท้ายมีความยาวมากเป็นพิเศษและต้องทำงานภายใต้สภาพกระแสไอน้ำที่ซับซ้อน ขณะที่โรเตอร์หมุน ใบพัดจะรับภาระจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางอย่างต่อเนื่อง ในเวลาเดียวกัน กระแสไอน้ำที่พุ่งกระแทกพื้นผิวใบพัดจะสร้างแรงทางอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamic forces) ทำให้เกิดแรงดัดโค้งและการสั่นสะเทือนซ้ำๆ

หากโรงไฟฟ้ามีการเดินเครื่อง-หยุดเครื่อง (Start-stop) บ่อยครั้ง มีการเร่ง/ลดกำลังการผลิต หรือเดินเครื่องนอกโซนโหลดที่เสถียร จำนวนรอบวงจรความเค้น (Stress cycles) ที่กระทำต่อใบพัดจะเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ

รอยร้าวล้าสามารถเริ่มก่อตัวขึ้นได้ แม้ว่าโหลดที่กระทำในแต่ละช่วงเวลาจะไม่เคยเกินขีดจำกัดความแข็งแรงจุดคราก (Yield strength) สูงสุดของวัสดุเลยก็ตาม

ปัจจัยที่เพิ่มความเสี่ยงในการเกิดรอยร้าว ได้แก่:

• การกระจายตัวของกระแสไอน้ำที่ไม่สม่ำเสมอ
• เกิดการสั่นพ้อง (Resonance) ขึ้นภายในช่วงความเร็วหรือโหลดที่กำหนด
• การกัดเซาะ (Erosion) บริเวณขอบนำ (Leading edge) ของใบพัด
• การกัดกร่อน (Corrosion) ที่ทำให้เกิดหลุมจุดเล็กๆ บนพื้นผิว ซึ่งเป็นจุดรวมความเค้น
• การกระแทกจากหยดน้ำหรือสิ่งแปลกปลอมที่หลุดเข้ามาในกระแสไอน้ำ
• ลวดรัด (Tie-wire) หลวม หรือจุดเชื่อมต่อขาดความมั่นคง
• ความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตระหว่างใบพัดแต่ละใบในกลุ่มเดียวกัน
• ความเค้นกระจุกตัวอย่างรุนแรงที่บริเวณโคนใบพัด (Blade root) หรือช่วงรอยต่อเปลี่ยนผ่านหน้าตัด

การปรากฏขึ้นของรอยร้าวสามารถเปลี่ยนแปลงความแข็งตึง (Stiffness) ค่าสัมประสิทธิ์การหน่วง (Damping) และความถี่ธรรมชาติของใบพัดกังหันไอน้ำได้อย่างชัดเจน

ข้อมูลนี้เป็นพื้นฐานทางวิศวกรรมที่สำคัญในการตรวจจับความเสียหายล่วงหน้าผ่านการวิเคราะห์ความสั่นสะเทือนและการวิเคราะห์โหมด (Modal analysis) แทนที่จะรอจนกว่าจะมองเห็นรอยร้าวขนาดใหญ่ด้วยตาเปล่า

จุดเชื่อมต่อใบพัด – ลวดรัด (Tie-wire) ต้องได้รับการตรวจสอบอย่างเข้มงวด

ในชุดใบพัดชั้นสุดท้าย ใบพัดมักจะถูกมัดเชื่อมเข้าด้วยกันเป็นกลุ่มๆ โดยใช้ลวดรัด (Tie-wire / Lacing wire) ชิ้นส่วนนี้ช่วยควบคุมการสั่นแกว่งแบบไดนามิกและรักษาสเถียรภาพโครงสร้างของกลุ่มใบพัด

อย่างไรก็ตาม พื้นที่หน้าสัมผัสระหว่างใบพัดและลวดรัดก็เป็นจุดที่เสี่ยงต่อการเกิดความเค้นกระจุกตัวอย่างรุนแรงเช่นกัน เมื่อใบพัดแกว่งไปมาอย่างต่อเนื่องภายใต้แรงกระแทกของไอน้ำและแรงสั่นสะเทือนแบบสุ่ม พื้นที่เชื่อมต่อจะต้องรับภาระความเค้นแบบรอบซ้ำ (Cyclic loading)

หากมีช่องว่าง รอยสึกหรอ หรือหน้าสัมผัสที่ไม่ได้ศูนย์ ความเค้นเฉพาะจุดจะพุ่งทะยานสูงขึ้น และสร้างจุดกำเนิดของรอยร้าวได้

รอยร้าวที่จุดนี้อาจค่อยๆ ลุกลามไปทีละนิดโดยที่ยังไม่ทำให้กังหันเกิดอาการสั่นอย่างรุนแรงในทันที แต่เมื่อความแข็งตึงของใบพัดใบใดใบหนึ่งเปลี่ยนไปมากพอ คุณลักษณะการสั่นสะเทือนแบบไดนามิกของกลุ่มใบพัดทั้งกลุ่มจะถูกทำลายลงอย่างสิ้นเชิง

ทำไมการทำบาลานซ์โรเตอร์ (Rotor balancing) ถึงไม่สามารถแก้ปัญหาการสั่นนี้ได้?

เมื่อกังหันมีแรงสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น วิธีแก้ปัญหาแรกที่มักจะนึกถึงคือการตรวจสอบการเสียสมดุลของโรเตอร์ (Unbalance) การจัดแนวศูนย์ (Alignment) หรือปัญหาที่ตลับลูกปืน สิ่งเหล่านี้เป็นรายการที่ต้องตรวจสอบเป็นพื้นฐาน แต่หากต้นตอการสั่นมาจากใบพัดที่มีรอยร้าว การทำบาลานซ์โรเตอร์จะไม่สามารถขจัดสาเหตุที่แท้จริงได้เลย

ลักษณะเฉพาะของรอยร้าวใบพัดคือ ระดับความสั่นสะเทือนสามารถผันผวนเปลี่ยนไปมาตามระดับโหลดและความถี่กระตุ้น เมื่อกังหันวิ่งผ่านย่านความถี่สั่นพ้อง (Resonance band) แอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนจะพุ่งสูงขึ้นอย่างชัดเจน แต่เมื่อหลุดพ้นจากย่านนี้ไป การสั่นสะเทือนอาจลดลง ทำให้เจ้าหน้าที่เดินเครื่องหลงผิดคิดว่าปัญหาคลี่คลายแล้ว

ดังนั้น จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเปรียบเทียบเทียบข้อมูลความสั่นสะเทือนในหลายๆ โหมดการทำงาน ไม่ใช่พึ่งพาแค่การวัดค่าเพียงจุดเดียวหรือ ณ เวลาใดเวลาหนึ่งเท่านั้น

ขั้นตอนการประเมินผลเมื่อสงสัยว่ากังหันสั่นเพราะใบพัดร้าว

อันดับแรก วิศวกรต้องรวบรวมประวัติความสั่นสะเทือน โหลด ความเร็วรอบ อุณหภูมิ และบันทึกการแจ้งเตือนต่างๆ (Alarm logs) ทั้งหมด จากนั้นนำกราฟสเปกตรัมความสั่นสะเทือนมาวิเคราะห์ เพื่อระบุจุดพีกความถี่ที่ผิดปกติ และวัดระยะการเคลื่อนตัว (Shift) เมื่อเปรียบเทียบกับข้อมูลพื้นฐาน (Baseline data) ในอดีต

ในช่วงหยุดเครื่อง (Shutdown) ต้องทำการตรวจสอบด้วยสายตา (Visual inspection) อย่างละเอียดที่โคนใบพัด ขอบนำใบพัด โซนที่ถูกกัดเซาะ ลวดรัด และจุดเชื่อมต่อทั้งหมด

ตำแหน่งที่ต้องสงสัยควรได้รับการตรวจสอบด้วยวิธีการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) ที่เหมาะสม เช่น การทดสอบด้วยสารแทรกซึม (PT) อนุภาคแม่เหล็ก (MT) หรือการทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (UT)

ผลการตรวจสอบหน้างานจริง จะต้องนำมาบูรณาการร่วมกับการวิเคราะห์โหมด (Modal analysis) และการจำลองความเค้น (Stress simulation) เพื่อประเมินเชิงตัวเลขว่ารอยร้าวนั้นได้สร้างความเสียหายต่อความแข็งตึงและการแกว่งตัวแบบไดนามิกของชุดใบพัดไปมากน้อยเพียงใด

ไม่ควรเปลี่ยนเพียงแค่ใบพัดใบที่ร้าวใบเดียว โดยที่ยังไม่ได้เจาะลึกหาสาเหตุที่แท้จริง หากปัญหาการสั่นพ้อง กระแสไอน้ำที่ไม่เสถียร หรือการเชื่อมต่อลวดรัดที่หลวมยังไม่ได้รับการแก้ไข ใบพัดใบใหม่ที่ใส่เข้าไปก็ยังคงมีความเสี่ยงสูงที่จะพังเสียหายซ้ำรอยเดิม

บริการสำรวจวิเคราะห์แรงสั่นสะเทือน และประเมินรอยร้าวล้าของใบพัดกังหันไอน้ำ

VietSonic ให้บริการสำรวจวิเคราะห์แรงสั่นสะเทือน ประเมินรอยร้าวล้าของใบพัดกังหันไอน้ำ ตรวจสอบจุดเชื่อมต่อระหว่างใบพัด-ลวดรัด และวิเคราะห์สาเหตุเชิงลึกที่ทำให้กังหันเกิดแรงสั่นสะเทือนพุ่งสูงผิดปกติตามระดับโหลด

หากกังหันไอน้ำของท่านกำลังแสดงอาการสั่นสะเทือนที่พุ่งสูงขึ้นอย่างผิดปกติ สั่นอย่างรุนแรงเฉพาะบางแถบโหลด กราฟสเปกตรัมมีความถี่แปลกปลอมปรากฏขึ้น หรือสงสัยว่าใบพัดชั้นสุดท้ายเกิดรอยร้าวล้า โรงไฟฟ้าควรเริ่มกระบวนการตรวจสอบตั้งแต่เนิ่นๆ ก่อนที่ความเสียหายจะลุกลามจนถึงขั้นวิกฤต

หากอุปกรณ์เครื่องจักรของท่านกำลังเผชิญกับปัญหาแรงสั่นสะเทือนผิดปกติ, เสียงดังรบกวน, อุณหภูมิพุ่งสูง, พบเศษผงโลหะในระบบหล่อลื่น หรือตลับลูกปืนพังเสียหายซ้ำซากหลังการเปลี่ยนอะไหล่ โปรดติดต่อ VietSonic เพื่อรับคำปรึกษาและโซลูชันการตรวจสอบทางวิศวกรรมที่ถูกต้องและตรงจุด

บริษัท เวียดนาม อัลตราโซนิก อิควิปเมนท์ จำกัด (VietSonic)
📞 โทรศัพท์: 0938 49 33 66 – คุณ ไฮ
📧 อีเมล: info.vietsonic@gmail.com
🌐 เว็บไซต์: vietsonic.vn