汽輪機(jī)高負(fù)荷振動異常分析及處理

吳健 吳仕奎

摘要：本文主要介紹了汽輪機(jī)振動異常的常見原因 。同時通過對汽輪機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)下振動異常的分析判斷及處理方法來闡述滑銷系統(tǒng)故障所造成的汽輪機(jī)振動異常的現(xiàn)象及特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：滑銷系統(tǒng);熱膨脹;振動;頻譜分析

1? 汽輪機(jī)振動故障類型介紹

汽輪機(jī)是用蒸汽來作功的旋轉(zhuǎn)式熱能動力機(jī)械，具有效率高、功率大、轉(zhuǎn)速易控制、壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此被廣泛地應(yīng)用在發(fā)電、冶金、石油化工等行業(yè)[1]。

在汽輪機(jī)的運(yùn)行的諸多參數(shù)當(dāng)中，汽輪機(jī)振動值是最為重要的幾項參數(shù)之一。振動良好是汽輪機(jī)安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行的基本條件之一。一旦汽輪機(jī)振動值出現(xiàn)異常將給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營構(gòu)成經(jīng)濟(jì)、安全多方面的威脅。據(jù)統(tǒng)計轉(zhuǎn)動設(shè)備故障類型比例當(dāng)中，異常振動比例又占比達(dá)到30%。同時鑒于振動異常的危害性，振動問題總是牽動各級領(lǐng)導(dǎo)的神經(jīng)，是研究和公關(guān)的重點(diǎn)方向[2]。造成汽輪機(jī)異常振動的原因往往比較復(fù)雜，常見引起汽輪機(jī)振動異常的原因有以下種：

①聯(lián)軸器不對中、聯(lián)軸器故障或不平衡;軸頸或軸承故障[3];

②基礎(chǔ)不均勻下沉或機(jī)座變形;

③轉(zhuǎn)子熱彎曲;

④動靜部件軸向間隙小于熱脹差;

⑤轉(zhuǎn)子不平衡;

⑥汽缸或轉(zhuǎn)子熱變形，產(chǎn)生摩擦;

⑦滑銷系統(tǒng)故障。

下面就引發(fā)汽輪機(jī)振動異常不太常見故障類型滑銷系統(tǒng)故障，進(jìn)行分析和處理。

2? 滑銷系統(tǒng)故障引起的振動案例介紹

2.1 設(shè)備工況及故障描述

瀘州市垃圾焚燒發(fā)電廠2#汽輪發(fā)電機(jī)組采用的是杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N15/3.82凝汽式汽輪機(jī)，額定轉(zhuǎn)速3000r/m，額定功率15mw。該機(jī)組該機(jī)組通過剛性聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)組連接在一起。汽輪機(jī)后軸承與發(fā)電機(jī)前軸承共用一個軸承座，且該軸承座通過焊接的方式固定在汽輪機(jī)排氣缸上面。該機(jī)組在投產(chǎn)2年后于2017年開始出現(xiàn)振動異?，F(xiàn)象。主要表現(xiàn)為在啟機(jī)帶負(fù)荷的過程中，機(jī)組在空負(fù)荷狀態(tài)時各軸承振動值隨轉(zhuǎn)速上升而上升（但仍在技術(shù)要求范圍以內(nèi)），但機(jī)組一旦待負(fù)荷后汽輪機(jī)后軸承振動隨負(fù)荷的增長而緩慢增漲，且負(fù)荷上升到一定程度后振動急速加?。ㄕ駝油蛔?20um左右），隨后達(dá)到聯(lián)鎖停車值。其振動現(xiàn)象表現(xiàn)為以下幾個特點(diǎn)：

①振動值隨轉(zhuǎn)速上升而上升（尚在技術(shù)參數(shù)要求

以內(nèi)）;

②振動值對蒸汽參數(shù)敏感，蒸汽溫度波動時，振動值波動大，但振動波動具有一定時間滯后性;

③振動值汽輪機(jī)負(fù)荷變化而變化，低負(fù)荷階段隨汽輪機(jī)負(fù)荷上升而緩慢上升。高負(fù)荷階段隨負(fù)荷上升而劇烈階躍性上升（振動加劇具有一定時間滯后性），快速達(dá)到連鎖停機(jī)值。

2.2 初步故障判斷

對汽輪機(jī)啟機(jī)升速階段做振動頻譜分析及趨勢圖（見圖1）可知：汽輪機(jī)后軸承振動以工頻振動為主，其他振動頻率所占比例較小[4]。

結(jié)合汽輪機(jī)振動隨負(fù)荷變化趨勢可知，汽輪機(jī)振動值對缸體熱變形敏感。綜合振動異常時的現(xiàn)象可初步判定汽輪機(jī)故障為動靜碰摩，而結(jié)合本機(jī)組原因可能為以下兩點(diǎn)：

①汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)故障，機(jī)組熱膨脹故障導(dǎo)致動靜摩擦;

②汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在熱變形，隨機(jī)組進(jìn)汽量變大而體現(xiàn)出來，致轉(zhuǎn)子動不平衡振動變大。

考慮到機(jī)組在盡兩的運(yùn)行期間內(nèi)，未出現(xiàn)過可能致使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲的因素或現(xiàn)象。該機(jī)組的振動異常原因?yàn)榛N系統(tǒng)故障的可能性較大。具體到滑銷系統(tǒng)出現(xiàn)了哪類型故障需要在機(jī)組的大修過程中進(jìn)一步得到驗(yàn)證。

2.3 汽輪機(jī)大修開缸檢查

為了進(jìn)一步確定汽輪機(jī)故障原因解決汽輪機(jī)振動大故障及證實(shí)上述判斷想，遂利用鍋爐檢修降負(fù)荷之際對汽輪機(jī)進(jìn)行大修，重點(diǎn)檢查汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。在開缸后對轉(zhuǎn)子及缸體檢查發(fā)現(xiàn)如下問題：

①汽輪機(jī)缸體與機(jī)頭前軸承座連接的立銷槽一側(cè)出現(xiàn)較大裂紋，立銷側(cè)間隙遠(yuǎn)超技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);

②汽輪機(jī)缸體后迷宮汽封齒與轉(zhuǎn)子后汽封齒產(chǎn)生嚴(yán)重動靜碰撞，磨損嚴(yán)重。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子第4、5級葉輪圍頂與缸體迷宮密封齒有動靜摩擦痕跡。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子復(fù)速級及第1、2、3級與缸體隔板密封齒的間隙，右側(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于左側(cè);

③缸體前汽封洼窩中心嚴(yán)重向左側(cè)偏心。

對上述現(xiàn)象進(jìn)一步分析，可排除轉(zhuǎn)子熱彎曲引起振動大的可能性。同時證實(shí)引起汽輪機(jī)高負(fù)荷振動大的根本原因?yàn)榛N系統(tǒng)故障，故障源頭為：機(jī)頭前軸承座與缸體連接的立銷槽一側(cè)產(chǎn)生裂紋致使裂紋一側(cè)間隙變大所導(dǎo)致。本應(yīng)在熱膨脹過程中引導(dǎo)汽輪機(jī)缸體上下膨脹的立銷，由于立銷槽一側(cè)出現(xiàn)裂紋使汽輪機(jī)缸體往出現(xiàn)裂紋一側(cè)膨脹不受約束。當(dāng)熱膨脹量超過汽封間隙時，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)缸體發(fā)生動靜摩擦，從而導(dǎo)致振動異常。

3? 處理方式及開機(jī)測試

要解決汽輪機(jī)高負(fù)荷振動大故障必須將該軸承座立銷槽修復(fù)，若從生產(chǎn)廠家購買新的機(jī)頭軸承座將花費(fèi)更長的時間，故只能現(xiàn)場修復(fù)該機(jī)頭軸承座立銷槽。

由于汽輪機(jī)機(jī)頭前軸承座材質(zhì)為鑄鐵，鑄鐵可焊性差且焊接時無法保證焊接后立銷槽與立銷的配合精度。故只能采取其他方式修復(fù)：在原立銷鍵槽壁開裂位置用鏜床加一平面，再在平面上開孔通過螺栓及圓柱銷的方式固定一塊鋼制件加工件在軸承座上，同時以另一側(cè)完好的立銷槽壁為基準(zhǔn)從加工新調(diào)整出一個完整的立銷槽。在保證新加工的立銷槽的強(qiáng)度情況也，也兼顧立銷槽與汽缸立銷的配合精度。

在完成大修其他工作后，遂啟動2#汽輪機(jī)組對維修效果進(jìn)行鑒定。機(jī)組在啟動升轉(zhuǎn)速至工作轉(zhuǎn)速振動狀態(tài)良好。機(jī)組帶負(fù)荷后，負(fù)荷由低負(fù)荷至滿負(fù)荷振動狀態(tài)良好，汽輪機(jī)后軸承振動由129um下降至最大30um，至此2#汽輪機(jī)高負(fù)荷狀態(tài)下振動異常故障得到解決。但造成汽輪機(jī)軸承座立銷槽開裂斷掉的原因還有待今后進(jìn)一步探究。

4? 結(jié)論

由于汽輪機(jī)的振動往往受多方面的影響，只要跟機(jī)本體有關(guān)的任何一個設(shè)備或介質(zhì)都會是機(jī)組振動的原因。特別是本文中汽輪機(jī)在升速階段振動值良好，但在帶負(fù)荷以后振動值隨負(fù)荷升高而升高，且振動上升具有一定時間滯后性，同時振動為工頻時，汽輪機(jī)故障往往與轉(zhuǎn)子熱彎曲及滑銷系統(tǒng)故障相關(guān)，二者故障現(xiàn)象具有一定相似性。在排除轉(zhuǎn)子熱彎曲的可能性下，滑銷系統(tǒng)故障造成缸體熱膨脹受阻，往往是汽輪機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)下振動異常的重要原因。

參考文獻(xiàn)：

[1][3]任曉善.化工機(jī)械維修手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]陸頌元.汽輪發(fā)電機(jī)組振動[M].北京：中國電力出版社，2000.

[4]沙德生，陳江.火電廠設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)與管理術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2016.