核電汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲原因分析

徐軍輝

（福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200）

核電汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲原因分析

徐軍輝

（福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200）

核電汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲和嚴重超速、軸系斷裂事故一樣，是發(fā)電廠重大惡性事故。防止發(fā)生汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲事件是核電廠運行維護的重要工作。文章系統(tǒng)分析了核電汽輪機轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲的機理、引起轉(zhuǎn)子彎曲的原因，并從管理、系統(tǒng)、操作等方面提出了防止汽輪機轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲的措施。

汽輪機；轉(zhuǎn)子彎曲；措施

汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲和嚴重超速、軸系斷裂事故一樣，是發(fā)電廠重大惡性事故。它不僅影響機組負荷因子，增加機組的非計劃停運時間，而且還要耗用相當多的檢修費用，對電力企業(yè)安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行構成重大危害，給企業(yè)造成巨大損失。因此，防止轉(zhuǎn)子彎曲事故是發(fā)電廠運行維護的重點，各級領導和生產(chǎn)技術人員應該充分重視。

寧德核電廠一期工程4臺百萬千瓦級容量機組，汽輪機為單軸、三缸、四排汽、沖動凝汽式半轉(zhuǎn)速汽輪機。高中壓缸為單層合缸設計，汽輪機葉片長、進汽量大，發(fā)生轉(zhuǎn)子彎曲的風險較高。因此有必要深入研究汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲的機理、原因，并采取相應的防范措施。

1　汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲的機理

轉(zhuǎn)子彎曲通常分為熱彈性彎曲和永久性彎曲［1］。熱彈性彎曲是指轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度分布不均勻，轉(zhuǎn)子受熱后膨脹而造成的轉(zhuǎn)子彎曲。當轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后這種熱彎曲會自然消失，永久性彎曲則不同，當轉(zhuǎn)子局部區(qū)域受到急驟加熱（或冷卻），而該區(qū)域與其他部位產(chǎn)生很大的溫度偏差，受熱部位熱膨脹受到約束產(chǎn)生高的壓應力。當其應力值超過轉(zhuǎn)子材料的屈服極限時，轉(zhuǎn)子局部便產(chǎn)生壓縮塑性變形。當轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后，該部位將有殘存拉應力，塑性變形不消失，從而造成轉(zhuǎn)子的永久性彎曲。造成轉(zhuǎn)子彎曲的因素是多方面的，但從永久性彎曲特征上歸納主要有兩類：一類是轉(zhuǎn)子振動使汽封或軸封動靜間隙消失而產(chǎn)生摩擦；另一類是汽缸進冷水，使轉(zhuǎn)子局部受到急劇冷卻。這兩種形式的轉(zhuǎn)子彎曲在機理上是有所區(qū)別的。

1.1轉(zhuǎn)子振動引起的轉(zhuǎn)子永久性彎曲

機組啟動過程中，由于轉(zhuǎn)子受熱不均勻所產(chǎn)生的溫差而引起轉(zhuǎn)子熱彎曲，或轉(zhuǎn)子在升速時，由于轉(zhuǎn)子自身的動不平衡，而產(chǎn)生異常振動，從而引起轉(zhuǎn)子徑向表面與汽封法蘭產(chǎn)生摩擦；也有當汽缸受熱不均各部位溫差過大引起的汽缸體熱變形或拱背彎曲，同樣會使動靜間隙消失造成摩擦。實踐證明，無論是由于轉(zhuǎn)子熱彎曲振動產(chǎn)生的摩擦，還是由于汽缸拱背彎曲、動靜間隙消失摩擦引起的振動，一旦在低于臨界轉(zhuǎn)速時發(fā)生摩擦振動，振動就會急劇增大，從而加劇了摩擦，形成惡性循環(huán)，以致達到不可控制的程度，造成轉(zhuǎn)子彎曲。

1.2汽缸進水造成轉(zhuǎn)子永久性彎曲

機組啟動過程中，如有冷汽冷水進入汽輪機，機組將產(chǎn)生劇烈振動。這時下汽缸突然冷卻使得汽缸產(chǎn)生拱背變形，造成通流部分徑向間隙消失，使轉(zhuǎn)子汽封產(chǎn)生摩擦。機組正常停機時，汽缸金屬溫度均較高，若停機后汽水系統(tǒng)隔離不當，就會引起汽輪機進水。進水后，汽缸產(chǎn)生溫差變形，先使軸封間隙消失，而后使轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動，盤車被迫停止。轉(zhuǎn)子在高溫條件下突然受到冷水的侵襲，轉(zhuǎn)子下半部浸泡在水中，受到冷卻。轉(zhuǎn)子表面急劇冷卻產(chǎn)生彎曲，冷卻部位在凹面。轉(zhuǎn)子表面的冷縮要受到?jīng)]有冷卻部分的約束。熱應力計算表明，當轉(zhuǎn)子上下溫差達200℃ 時，冷卻部位的拉熱應力將超過屈服應力極限，使該局部產(chǎn)生永久性變形。當轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后被冷水浸泡的部位將從轉(zhuǎn)子彎曲的凹面轉(zhuǎn)為凸面。

2　引起轉(zhuǎn)子永久性彎曲的原因

引起轉(zhuǎn)子永久性彎曲的原因是多方面的，與結(jié)構、系統(tǒng)設計、安裝工藝和運行管理等方面有關，應具體問題具體分析。除個別情況，大部分機組轉(zhuǎn)子彎曲部位多發(fā)生在高壓轉(zhuǎn)子的調(diào)節(jié)級前軸封處，轉(zhuǎn)子的損壞情況也基本相同［2］?，F(xiàn)將高壓轉(zhuǎn)子彎曲事故的原因分析歸納如下。

2.1設備結(jié)構

有些機組磨損最嚴重的部位是調(diào)節(jié)級前軸封第一段，觀察其汽封結(jié)構可以看出，該段轉(zhuǎn)子表面裝有鑲?cè)胧狡饧s400 mm長，沒有彈性熱槽的機組在運行中，如果動靜部位發(fā)生摩擦，轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生高溫后無法自由膨脹，且來回竄動的間隙小，有些彈簧也會因失去彈性而造成汽封圈與軸表面產(chǎn)生硬摩擦。另外，該機組高中壓轉(zhuǎn)子為三支點結(jié)構，前汽封很長，且距軸瓦較遠，因此調(diào)節(jié)級前汽封處撓度最大。當轉(zhuǎn)子發(fā)生振動時，該部位易發(fā)生摩擦。另外該汽缸有膨脹不暢或跑偏現(xiàn)象，也影響機組通流部分的徑向間隙。汽輪機滑銷系統(tǒng)結(jié)構不良，啟動過程中膨脹不暢，引起軸向動靜部件摩擦結(jié)果汽封大多數(shù)被推倒，轉(zhuǎn)子汽封摩擦導致轉(zhuǎn)子彎曲。

2.2熱力系統(tǒng)

為防止因汽輪機進水引起轉(zhuǎn)子彎曲，必須從系統(tǒng)設計上考慮如何防止水進入汽輪機。有些機組疏水系統(tǒng)比較混亂，沒有統(tǒng)一規(guī)范；有的機組主蒸汽管疏水與本體疏水接在同一個小聯(lián)箱上，其疏水聯(lián)箱中心線又低于熱井最高部位300 mm左右。有些汽輪機主、再熱蒸汽門關閉不嚴，抽汽逆止門不嚴，除氧器滿水造成水從主蒸汽管道或抽汽管道進入汽輪機，引起汽缸變形，轉(zhuǎn)子彎曲。汽輪機本體疏水系統(tǒng)不夠合理，存在著凝結(jié)水倒入汽缸的可能。疏水母管的布置標高偏低等。

2.3運行管理

運行人員技術素質(zhì)差、運行水平低、對事故預兆判斷能力差，振動高處理不及時，缺乏科學運行管理等因素，是事故直接原因和事故擴大的原因之一。

3　防止汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲的措施

3.1做好汽輪機組基礎技術工作［3］

1） 記錄轉(zhuǎn)子安裝原始彎曲的最大晃動值（雙振幅）、最大彎曲點的軸向位置及在圓周方向的位置。

2） 大軸彎曲表測點安裝位置轉(zhuǎn)子的原始晃動值（雙振幅），最高點在圓周方向的位置。

3） 機組正常啟動過程中的波德圖和實測軸系臨界轉(zhuǎn)速。

4） 應具有機組在各種狀態(tài)下的典型啟動曲線和停機曲線（包括緊急破壞真空停機過程的惰走曲線），并應全部納入運行規(guī)程。

5） 通流部分的軸向間隙和徑向間隙。

6） 記錄機組啟、停過程的主要參數(shù)和狀態(tài)。停機后定時記錄汽缸金屬溫度、轉(zhuǎn)子彎曲、盤車電流、汽缸膨脹、脹差等重要參數(shù)，直到機組下次啟動或汽缸金屬溫度低于150 ℃為止。

7） 系統(tǒng)進行改造、運行規(guī)程中尚未作具體規(guī)定的重要運行操作或試驗，必須預先制定安全技術措施，經(jīng)上級主管部門批準后再執(zhí)行。

8） 準確完整的汽輪機運行規(guī)程、現(xiàn)場系統(tǒng)圖、設備異動報告、安全措施。運行人員熟記運行規(guī)程，了解相關技術數(shù)據(jù)后，通過比較、分析、判斷就能發(fā)現(xiàn)機組存在的問題，防患于未然。

3.2設備系統(tǒng)方面的技術措施

1） 汽缸應具有良好的保溫，保證停機后上下缸溫差不超過50 ℃。

2） 安裝和檢修時合理調(diào)整動靜間隙，保證在熱態(tài)下不發(fā)生動靜摩擦。

3） 合理布置主蒸汽、再熱蒸汽、旁路系統(tǒng)、導汽管、汽缸本體疏水，保證疏水暢通。疏水中不發(fā)生倒汽，不互相排擠。疏水擴容器標高高于凝結(jié)器熱水井最高標高。高低壓疏水分別接入高低壓疏水擴容器或疏水聯(lián)箱。按疏水壓力高低依次接入，并向低壓側(cè)傾斜45 ℃。在所有疏水開啟情況下，疏擴或聯(lián)箱壓力仍應低于疏水各管道最低壓力，防止疏水不良。

4） 汽輪機各監(jiān)視儀表齊全可靠，汽缸各部位金屬溫度表完好齊全，尤其是轉(zhuǎn)子彎曲表、振動表、缸溫表、脹差表等。

5） 主蒸汽、再熱蒸汽減溫水截止門應關閉嚴密、自動可靠。

6） 門桿漏汽，軸封高壓漏汽至除氧器管路上應設置逆止門和截止門。

7） 高壓加熱器應裝設緊急疏水閥，高水位能自動開啟和遠方控制，水位計正常。除氧器、低壓加熱器水位計正常，疏水自調(diào)可靠，危急情況可放水。

8） 自動主汽門、調(diào)速汽門、各段抽汽逆止門關閉嚴密，動作可靠。

3.3運行方面技術措施

汽輪機沖轉(zhuǎn)前必須符合以下條件，否則禁止啟動［4］：1）大軸晃動不超過原始值0.02 mm。2）高壓外缸上下溫差不超過50℃，內(nèi)缸上下缸溫差不超過35 ℃。3）主蒸汽溫度必須高于汽缸最高溫度50 ℃以上，過熱度不低于50 ℃，但不超過額定主蒸汽溫度。

汽輪機出現(xiàn)以下任一情況時禁止啟動：1）主要保護試驗不合格，如軸向位移保護、脹差保護、低真空保護、潤滑油壓低保護、超速保護等；2）交流油泵、直流油泵、頂軸油泵、高壓油泵不能啟動或不能正常運行時；3）DEH、DCS不能正常工作時；4）盤車時汽輪機內(nèi)有明顯的金屬摩擦聲時；5）高中壓主汽門、高中壓調(diào)速汽門、抽汽逆止門關閉不嚴或卡澀時。

出現(xiàn)下列情況應采取緊急停機措施：1）汽輪機轉(zhuǎn)速達額定轉(zhuǎn)速的110%，而超速保護裝置拒動時；2）汽輪機發(fā)生水沖擊時；3）汽輪機軸向位移超過規(guī)定值時；4）汽輪機軸瓦超過0.05 mm或轉(zhuǎn)子相對軸振超過0.254 mm時；5）汽輪機內(nèi)有明顯的金屬摩擦聲時；6）汽輪機脹差大經(jīng)調(diào)整無效超過規(guī)定值時；7）汽輪機軸承金屬溫度超過規(guī)定值時。

3.3.1啟動過程防止轉(zhuǎn)子彎曲措施

啟動前對照閥門檢查卡做詳盡檢查。啟動中嚴密監(jiān)視主蒸汽、再熱蒸汽變化，嚴禁汽溫反復上下波動，10 min變化50 ℃應打閘停機。汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中，嚴格監(jiān)視軸承振動。中速暖機前，軸承振動超過0.03 mm，過臨界轉(zhuǎn)速時軸承振動超0.10 mm或相對軸振動值超過0.26 mm，應立即打閘停機。當軸承振動變化±0.015 mm或相對軸振動變化±0.05 mm，應查明原因設法消除，當軸承振動突然增加0.05 mm，應立即打閘停機。嚴禁強行通過臨界轉(zhuǎn)速或降速暖機。軸封供汽溫度應與金屬溫度相適應，減少溫差產(chǎn)生的局部熱應力。必須充分疏水并在連續(xù)盤車時才能投入軸封供汽。啟動前連續(xù)盤車不少于2～4 h，若盤車中斷應重新計時。當盤車電流較正常值大、擺動或有異音時應及時匯報分析、處理。當盤不動時，嚴禁強行盤車，應采取悶缸處理。啟動過程要注意監(jiān)測凝汽器、除氧器水位，防止汽輪機進水。

3.3.2正常運行中防止轉(zhuǎn)子彎曲措施

1） 汽輪機變工況時，加強狀態(tài)監(jiān)視，控制各參數(shù)在規(guī)定范圍。如果10 min內(nèi)急劇下降50 ℃，應緊急故障停機。主、再熱蒸汽溫度下降過快，不但增加熱應力，而且將引起劇烈熱變形，造成動靜摩擦，使轉(zhuǎn)子彎曲。

2） 汽輪機因主再熱蒸汽引起發(fā)生水沖擊時嚴禁采用主、再熱蒸汽向軸封供汽；控制凝結(jié)器、除氧器，各高低壓加熱器水位正常。

3） 定期活動各主汽門、高中壓調(diào)門、各抽汽逆止門，防止卡澀，保證在異常發(fā)生后，能及時阻止冷汽冷水進入汽缸。

4） 定期試驗熱工報警信號正常，各監(jiān)視儀表正常，有缺陷及時聯(lián)系檢修處理。

5） 加強設備巡視檢查，對通流部分異音應加強監(jiān)視分析，防止動靜摩擦造成轉(zhuǎn)子彎曲。

6） 加強振動監(jiān)視，防止動靜摩擦。正常運行中要求軸承振動不超過0.03 mm，相對軸振動不超過0.08 mm，如超過應設法消除。當軸承振動變化±0.015 mm或相對軸承振動變化±0.05 mm時，應查明原因設法消除。當各軸承振動突增0.05 mm或相對軸振動大于0.26 mm時，應立即打閘停機。特別應注意振動的突變值，這是突發(fā)事故的明顯征兆。

7） 加強潤滑油溫、油壓、油位監(jiān)視，防止斷油燒瓦造成轉(zhuǎn)子彎曲。

8） 加強軸向位移、脹差、推力瓦溫度、軸瓦溫度及回油溫度監(jiān)視。

3.4熱彎曲后的悶缸措施

熱態(tài)停機后如果盤車無法投入，可能導致轉(zhuǎn)子永久彎曲。通過正確悶缸，盡快消除轉(zhuǎn)子熱彎曲，可最大限度避免轉(zhuǎn)子永久性彎曲。悶缸措施如下：

1） 確保潤滑油系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)正常運行。

2） 停止真空泵運行，打開真空破壞閥，以停止機組快冷。真空到零時停止軸封供汽，不允許在未盤車時向軸封供汽。

3） 隔離汽輪機本體的內(nèi)外冷源，關閉進入汽輪機所有汽門以及所有汽輪機本體、抽汽管道疏水門，進行悶缸。

4） 嚴格監(jiān)視和記錄汽缸各部分的溫度、溫差隨時間的變化情況。

5） 當調(diào)節(jié)級上下缸溫差小于50 ℃時，先手動試盤，若能盤動，可將轉(zhuǎn)子盤180°，依靠轉(zhuǎn)子自身重量投直。轉(zhuǎn)子經(jīng)多次180°盤轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)子彎曲值回到正常范圍，可投入連續(xù)車。

4　結(jié)束語

為保證機組長期安全穩(wěn)定運行，避免發(fā)生汽輪機轉(zhuǎn)子彎曲事件，生產(chǎn)人員尤其是運行和維修人員不僅要熟悉掌握有關機組振動的基本知識，了解引起機組振動的各方面因素，不斷提升自身經(jīng)驗和技能，提前預防、及時處理運行過程中引起機組振動的不合理因素，同時還應堅持“保守決策、程序至上”的原則，杜絕在振動異常原因不清楚的情況下機組上行，以確保機組的安全、經(jīng)濟運行。

［1］ 施維新. 汽輪發(fā)電機組振動及事故［M］. 北京：中國電力出版社，1998.（SHI Wei-xin. The Vibration and Accident of Turbine Generator［M］. Beijing：China Electric Power Press， 1998.）

［2］ 趙旭. 某汽輪機組動靜碰磨非典型振動特征的分析與診斷 ［J］.汽輪機技術，2009，51（6）： 451-453.（ZHAO Xu. Analysis and Diagnosis for Nontypical Vibration Characteristics of Rubbing between Movable and Stationary Parts of a Turbine Generator［J］. Turbine Generator Technology， 2009， 51（6）： 451-453.）

［3］ 國能安全［2014］161號. 防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（GuoNengAnQuan （2014） No.161. Twenty-five Key Requirements for Preventing Electric Power Production Accident.）

［4］ 國家電力公司發(fā)輸電運營部.防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求［M］.北京：中國電力出版社，2001.（Dept. of Power Generation and Transmission， State Power Corporation. Twenty-five Key Requirements for Preventing Severe Accident of Electric Power Production［M］. Beijing： China Electric Power Press， 2001.）

Analysis and Prevention of Nuclear Steam Turbine Rotor Bending

XU Jun-hui
（Fujian Ningde Nuclear Power Co.，Ltd.，Ningde of Fujian Prov. 355200，China）

Steam turbine rotor bending is a major severe accident of nuclear power plant just like over-speed and shaft rupture. Preventing the occurrence of steam turbine rotor bending event is an important work for nuclear power plant operation and maintenance.This paper analyses the mechanism of permanent bending about nuclear steam turbine rotor and reason to cause rotor bending， and puts forward measures from points of management， system and operation and so on to avoid permanent bending of the steam turbine rotor.

turbine；rotor bending；measures

TL37Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0364-04

TL37

A

1674-1617（2015）04-0364-04

2015-09-04

徐軍輝（1979—），男，河南人，工程師，學士，研究方向為核電質(zhì)量保證。