660 MW機組主油泵齒輪斷齒原因分析

劉養(yǎng)浩

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司 福建晉江）

一、前言

2臺660 MW超臨界、單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽凝汽式燃煤汽輪發(fā)電機組（編號為5#、6#機組，以下同）由北京重型電機廠生產(chǎn)，發(fā)電機采用水氫氫冷卻方式，勵磁系統(tǒng)為無刷勵磁方式。該機組于2008年12月竣工投產(chǎn)。

2012年以來，經(jīng)常出現(xiàn)主油泵傳動齒輪斷齒問題，故障頻率也越來越頻繁。圖1給出了主油泵齒輪軸系結(jié)構(gòu)。主油泵位于主軸機頭方向左側(cè)，通過斜齒輪嚙合由主軸驅(qū)動。主油泵承擔著機械潤滑作用，一旦主油泵可靠性降低，將危及汽輪機的安全、可靠運行，嚴重時會造成汽輪機斷油燒瓦事故。在主油泵軸和次軸上的危急保安器飛錘還可以實現(xiàn)汽輪機的機械超速保護。主油泵齒輪斷齒會造成齒輪振動增大，影響機械超速保護的安全、可靠性。齒輪斷齒問題成為影響機組安全、可靠運行的安全隱患。

圖1 660 MW汽輪機前箱主油泵、主軸布置圖

二、故障現(xiàn)象

2012年2月以來，5#、6#汽輪機前箱開始出現(xiàn)齒輪斷裂問題。至2012年底，由此所導(dǎo)致的機組正常連續(xù)運行時間最短的只有一周，最長的也就兩個多月，因齒輪斷裂已經(jīng)導(dǎo)致7次非計劃停機。按每次停運5天計算，2012年機組強迫停運時間已有35天。為了解決主油泵齒輪斷齒問題，廠方分別將5#機和6#機的1#瓦由原來的圓筒型瓦改為多油楔型瓦和橢圓瓦，對主軸與次軸和副軸之間的傳動齒輪進行了精確調(diào)整和檢修等，在一定程度上延長了齒輪使用周期，但是故障并沒有得到徹底解決。

三、主油泵齒輪斷齒失效分析

檢查發(fā)現(xiàn)，主油泵齒輪的齒都是在根部斷裂，齒面僅有輕微磨損，沒有出現(xiàn)剝落、膠合、磨損等嚴重問題，究其原因應(yīng)是疲勞斷裂。

由金屬材料疲勞破壞機制可知，材料在交變應(yīng)力和應(yīng)變作用下，某點或某些點的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了永久變化，在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或發(fā)生斷裂。金屬疲勞破壞可分為疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴展和失穩(wěn)斷裂3個階段。疲勞破壞與靜力破壞有著本質(zhì)不同。在交變荷載作用下，零件交變應(yīng)力在遠小于材料強度極限情況下，破壞就有可能發(fā)生。疲勞裂紋在宏觀上表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然斷裂，這一特性使疲勞破壞具有更大的危險性。疲勞破壞是一個累積過程，需要經(jīng)歷一定的時間歷程，甚至很長的時間歷程。

根據(jù)分析，主油泵齒輪的齒發(fā)生疲勞斷裂的原因有：材料及熱處理不好，造成齒輪疲勞損壞；齒輪間隙調(diào)整不當，引起齒輪傳動中產(chǎn)生振動、沖擊等情況；齒輪嚙合過程中，受到外部振動或者是交變激振力作用，致使齒輪上的齒彎曲應(yīng)力出現(xiàn)局部過載，造成齒輪疲勞損壞。齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩增大。

四、主油泵齒輪損壞故障原因分析

將主油泵、主油泵齒輪和主油泵軸上的危急保安器（飛錘），作為一個獨立系統(tǒng)看待，在汽輪機正常運行的情況下，系統(tǒng)的外部驅(qū)動部件是汽輪機主軸上的主動齒輪。如果汽輪機振動比較大，特別是在主軸齒輪處的振動比較大，就會對主軸上主動齒輪和主油泵上從動齒輪間的嚙合產(chǎn)生影響。齒輪之間有一定間隙，在振動的擾動下就會導(dǎo)致較大脈動，在主油泵齒輪上產(chǎn)生交變作用力，進而導(dǎo)致主油泵齒輪疲勞損壞。

汽輪機運行幾年后，轉(zhuǎn)子可能會出現(xiàn)不平衡。根據(jù)機組啟動過程中各個軸頸處的振動情況，包括振動頻率、相位和幅值等，可以計算出轉(zhuǎn)子上的平衡重量，以達到平衡汽輪機轉(zhuǎn)子的目的。受結(jié)構(gòu)條件限制，高壓轉(zhuǎn)子加配重比較困難。為了降低1#瓦振動，加重平面有時選擇在高壓轉(zhuǎn)子外側(cè)與小軸連接的對輪處。

該型汽輪機主軸不是直接拖動主油泵和危急保安器，而是通過齒輪機構(gòu)來拖動。在汽輪機轉(zhuǎn)子1#瓦外端加配重，就會在主動齒輪處產(chǎn)生一個額外重量。該重量對1#瓦以外的懸臂軸來說，就是一個不平衡重量。此時，主軸上主動齒輪作用在主油泵上的力，就不是均勻的，還會產(chǎn)生一個頻率為1倍工頻的交變力。這個力使相互嚙合的齒輪出現(xiàn)瞬時過載，加速了主油泵齒輪疲勞，并引起主油泵齒輪齒斷裂。所加平衡重量越大，主油泵齒輪持續(xù)運行時間就越短，越容易疲勞斷裂。

五、試驗驗證

（1）在每次更換的新齒輪上，標上和主軸齒輪在嚙合處的相對應(yīng)的標志（標為0位），以確定下一次所損壞的齒是否位于主軸齒輪處所加平衡重量的附近。如果將主油泵齒輪和主軸齒輪同時更換，那么相互嚙合齒輪0位的確定，應(yīng)根據(jù)主軸上的所加的平衡重量在圓周上的位置來確定。那么如果在下一次斷齒的位置位于0位附近，則說明影響主油泵齒輪損壞的主要因素就是轉(zhuǎn)子上所加的平衡重量引起的。試驗結(jié)果表明，1#瓦端加配重對主油泵斷齒會產(chǎn)生較大影響。

（2）如果靠近主油泵齒輪處的軸瓦燒損故障發(fā)生在齒輪系的外側(cè)，而遠離主油泵齒輪的軸瓦燒損發(fā)生在齒輪系的內(nèi)側(cè)，則說明燒瓦是由于主軸上齒輪的偏心振動引起的。這種現(xiàn)象在以前所發(fā)生的主油泵支持軸承和推力軸承鎢金磨損情況中得到證實。2012年12月的檢修中，發(fā)現(xiàn)直徑60 mm的瓦上，鋼瓦東側(cè)（沿機頭方向看）有磨損，2013年2月檢查中又發(fā)現(xiàn)直徑90 mm的瓦西側(cè)磨損，直徑60 mm的瓦東側(cè)磨損，主油泵推力瓦西側(cè)磨損嚴重，東側(cè)不嚴重。2013年5臨修中發(fā)現(xiàn)，主油泵直徑90 mm的瓦西側(cè)有磨損痕跡。

（3）5#機組高壓轉(zhuǎn)子前軸封處彎曲0.038 mm，調(diào)節(jié)級后軸彎曲0.028 mm，彎曲值較小。6#機組高壓轉(zhuǎn)子前軸封處彎曲0.050 mm，調(diào)節(jié)級后彎曲0.060 mm。6#機組高壓轉(zhuǎn)子彎曲度比5#機組大，6#機組加在1#瓦處的平衡配重相應(yīng)也較大。5#機組主油泵齒輪和軸承運行時間已超過100天，而6#機組持續(xù)運行時間很短。由此說明，加重量越大，對齒輪所產(chǎn)生的疲勞損傷越大。

六、結(jié)論

（1）該型機組汽輪機高壓轉(zhuǎn)子找平衡時，應(yīng)該盡量減少在1#瓦外側(cè)對輪上的加重量，該平面不宜作為主要的平衡面。

（2）改進齒輪加工和熱處理工藝，通過提高表面光潔度、精度等級等措施，延長輪齒耐疲勞性能。

采取上述措施后，主油泵齒輪再也沒有出現(xiàn)過斷齒問題，徹底消除了齒輪斷齒故障。