核電汽輪機(jī)振動故障診斷與處理

孫忠旭

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 引言

某核電站汽輪機(jī)組是公司生產(chǎn)的單軸、 三缸（高中壓合缸）、 四排汽、 沖動凝汽式半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī), 額定功率為1 089 MW, 額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

機(jī)組軸系主要包括高中壓轉(zhuǎn)子、 LP1低壓轉(zhuǎn)子、 LP2低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子, 1～8 號支持軸瓦均為三瓦塊可傾瓦, 軸系布置詳見圖1。

機(jī)組自投入商業(yè)運(yùn)行以來, 運(yùn)行情況良好,滿功率運(yùn)行狀態(tài)下的振動一直都比較小。 機(jī)組進(jìn)行第一次大修后, 在啟機(jī)并網(wǎng)、 升負(fù)荷過程中出現(xiàn)了6～7 號軸瓦軸振偏高的問題： 在滿功率運(yùn)行時6 號軸瓦軸振已逼近90 μm 報(bào)警限值, 影響機(jī)組的安全運(yùn)行。 因此有必要對大修后6～7 號軸瓦軸振偏高問題實(shí)施診斷和處理。

1 問題描述

1.1 大修情況描述

此次大修為機(jī)組商運(yùn)后的首次大修, 檢修內(nèi)容包括汽輪機(jī)高中壓缸開缸檢修, 抽發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢查, 1～8 號軸瓦解體檢查, 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系重新找中等。

1.2 軸振數(shù)據(jù)對比

通過大修前滿負(fù)荷工況軸振（見表1）和大修后滿負(fù)荷工況軸振（見表2）的數(shù)據(jù)對比, 發(fā)現(xiàn)大修后機(jī)組滿負(fù)荷工況下軸振幅值明顯增高, 尤其是6～7瓦水平方向軸振幅值大幅增高, 其中6 瓦水平軸振由18.3 μm 升高至84.9 μm, 接近90 μm 報(bào)警值, 變化幅值較大。

表2 大修后滿負(fù)荷工況軸振 μm

1.3 振動曲線描述

為進(jìn)一步分析6～7 瓦軸振偏高問題, 提取軸振與有功負(fù)荷關(guān)聯(lián)曲線（見圖2）進(jìn)行分析, 得出：6～8 號瓦軸振與有功功率變化呈較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,其水平、 垂直方向軸振都隨有功功率呈同向變化。

圖2 大修后5～8 號瓦軸振與有功功率關(guān)聯(lián)曲線

1.4 振動頻譜及相位分布（100%功率平臺）

通過查閱機(jī)組振動頻譜數(shù)據(jù)記錄, 導(dǎo)致6～7號瓦振動偏高的主要頻率成分為工頻, 其他倍頻無明顯表現(xiàn)。 機(jī)組滿功率狀態(tài)下的振動頻譜及相位數(shù)據(jù)見表3。

表3 機(jī)組滿功率時振動頻譜及相位分布

2 振動故障分析和診斷

2.1 振動特征篩選

汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障診斷是根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息對故障定性, 進(jìn)而對其產(chǎn)生的原因或機(jī)理做出判斷, 并確定解決措施和實(shí)施處理方案。振動故障有很多類型, 但其中數(shù)種常見故障的發(fā)生率占了總數(shù)的95%以上[1]。根據(jù)機(jī)組振動曲線、頻譜數(shù)據(jù)及振動特征, 推斷出常見的有可能導(dǎo)致6～7號瓦振動偏高的原因是聯(lián)軸器螺栓緊力不足。 聯(lián)軸器螺栓緊力不足引發(fā)的振動頻譜特征為1X, 與負(fù)荷有關(guān), 與此次故障現(xiàn)象相同。

2.2 負(fù)荷變化試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步確定原因, 驗(yàn)證振動與負(fù)荷的關(guān)聯(lián),決定利用降功率窗口, 檢查機(jī)組振動。 結(jié)果在機(jī)組功率下降時, 振動也隨之降低, 與升功率過程類似, 如圖3 所示。 說明此次機(jī)組振動幅值隨負(fù)荷上升而增大、 隨負(fù)荷降低而減小, 與負(fù)荷呈較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。 而資料顯示[2]： 機(jī)組解列、 并列和增減負(fù)荷時, 振動幅值和相位突然發(fā)生變化, 并有較好的重現(xiàn)性, 而且與機(jī)組受熱狀態(tài)無關(guān)； 這種振動發(fā)生的原因一般都是由聯(lián)軸器螺栓緊力不足影響的； 當(dāng)有功負(fù)荷穩(wěn)定時, 振幅和相位較為穩(wěn)定。

因此, 結(jié)合振動特征篩選情況和降負(fù)荷試驗(yàn)情況, 可以判斷出導(dǎo)致6～7 號瓦振動偏高的原因是聯(lián)軸器螺栓緊力不足。

圖3 機(jī)組降功率過程振動變化曲線圖

3 聯(lián)軸器螺栓緊力不足引發(fā)振動的機(jī)理分析

3.1 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)介紹

該機(jī)組轉(zhuǎn)子剛性聯(lián)軸器通過螺栓連接并借助錐形襯套通過液壓拉伸裝置來實(shí)現(xiàn)緊固, 汽輪機(jī)的扭矩部分通過聯(lián)軸器間的摩擦力傳遞,部分通過螺栓上的剪切力實(shí)現(xiàn)。聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 聯(lián)軸器螺栓結(jié)構(gòu)圖

3.2 聯(lián)軸器失效機(jī)理分析

汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時, 每個螺栓傳遞的扭矩都應(yīng)是均勻的。 這樣在負(fù)荷變化過程中, 每個螺栓傳遞的力也是相等地增加或減小。

假設(shè)聯(lián)軸器只通過2 個螺栓緊固, 每根螺栓剪力相等, 即F1=F2, 則聯(lián)軸器只存在扭矩。 如果兩根螺栓剪力不等, 則除了扭矩之外, 還存在一個作用于轉(zhuǎn)子中心的力F=F1-F2, 這個F 隨著機(jī)組負(fù)荷變化而變化, 所以機(jī)組的振動也就表現(xiàn)為隨著負(fù)荷變化而變化。 除F 之外, 螺栓松動會造成兩半對輪位置變化、 聯(lián)軸器質(zhì)量中心發(fā)生偏差,出現(xiàn)新的附加不平衡質(zhì)量, 從而產(chǎn)生額外的不平衡力, 表現(xiàn)為振動加劇[3]。

當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時, 傳遞的力矩改變, 直接影響傳遞扭矩的摩擦力和剪力的大小, 從而改變了聯(lián)軸器螺栓的原始平衡狀態(tài), 導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動變化。 這種變化是在改變有功負(fù)荷的瞬間完成的,所以振動變化無時滯現(xiàn)象。 這也就解釋了由聯(lián)軸器緊力不足引發(fā)的振動與有功負(fù)荷呈較強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的原因。

4 故障處理

4.1 臨時處理方案

綜上所述, 最終判定造成此次機(jī)組振動的原因是低-發(fā)聯(lián)軸器螺栓緊力不足。 考慮到汽輪發(fā)電機(jī)組已滿功率運(yùn)行, 低發(fā)對輪扭矩已達(dá)最大, 推斷振動情況不會因升降功率進(jìn)一步惡化； 雖然可保持穩(wěn)定運(yùn)行, 但仍需盡快停機(jī)處理。

4.2 停機(jī)處理

4.2.1 解體檢查

利用機(jī)組停機(jī)窗口, 對低發(fā)對輪進(jìn)行解體檢查, 結(jié)果如下：

（1）拆前檢查低發(fā)對輪同心度為0.005 mm, 標(biāo)準(zhǔn)≤0.02 mm, 數(shù)據(jù)合格；

（2）檢查對輪螺栓伸長量, 15 顆螺栓伸長量偏小, 1 顆螺栓伸長量值合格, 與故障診斷結(jié)果相符, 詳見表4 低-發(fā)聯(lián)軸器螺栓伸長量檢查結(jié)果。

表4 低-發(fā)聯(lián)軸器螺栓伸長量檢查結(jié)果

4.2.2 重新緊固聯(lián)軸器螺栓

按照下面聯(lián)軸器螺栓安裝工藝流程, 重新安裝所有聯(lián)軸器螺栓, 確保伸長量在合格范圍內(nèi)。

（1）安裝件④、 件⑤到聯(lián)軸器孔中。

（2） 從螺柱大端螺母向小端螺母方向?qū)⒓伲◣Ъ冢?穿入對輪中。

（3）安裝件③到螺柱上, 用手旋緊件③使件①和件④之間及④和聯(lián)軸器法蘭孔B 之間接觸； 調(diào)整件①到對輪封板之間距離為5±1.5 mm。

（4）安裝件⑦、 件⑥到件③中； 在拉伸側(cè)旋緊件②。

（5）從件②處安裝液壓拉伸工具, 加壓到400 bar, 按順序拉伸螺柱, 擰緊件⑥, 擰緊件②。

（6）所有螺栓緊固到400 bar 后, 再按照800 bar 壓力重復(fù)上述過程。

（7）聯(lián)軸器螺栓緊固完成后測量螺栓伸長量是否合格, 如不合格則需調(diào)整油壓重復(fù)操作。 法蘭螺栓的伸長會減小螺桿直徑, 使錐形襯套膨脹,從而達(dá)到連接聯(lián)軸器的作用。

5 效果檢查

完成處理后, 機(jī)組順利啟動和并網(wǎng)、 升負(fù)荷至滿功率。 啟動過程中, 6～7 號軸瓦軸振基本恢復(fù)至大修前水平, 軸振水平明顯降低且保持穩(wěn)定。其中, 機(jī)組滿功率工況下的軸振數(shù)據(jù)見表5。

表5 處理后滿負(fù)荷工況軸振數(shù)據(jù)表 μm

6 結(jié)束語

（1）聯(lián)軸器螺栓緊力不足引發(fā)的振動現(xiàn)象與機(jī)組的有功功率呈現(xiàn)較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系, 相對容易分析、 診斷和處理。

（2）此次機(jī)組聯(lián)軸器螺栓安裝質(zhì)量不良引發(fā)的機(jī)組振動給機(jī)組安全運(yùn)行帶來影響； 重新緊固聯(lián)軸器螺栓需機(jī)組停運(yùn)、 缸溫冷卻至120 ℃以下才能進(jìn)行, 工期需10 天左右, 直接影響機(jī)組運(yùn)營指標(biāo)約1 億元, 給核電廠帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）核電檢修公司及質(zhì)量管理部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對聯(lián)軸器螺栓安裝質(zhì)量的控制, 避免再發(fā)生類似的問題。