淺談汽輪機運行振動的危害原因分析及處理

李杰

摘要：振動屬于汽輪機運行期間最常出現(xiàn)的問題，可以引發(fā)多種故障問題，為了避免出現(xiàn)振動情況，工作人員應(yīng)正確分析振動的原因，在此基礎(chǔ)上做好防止措施，提升汽輪機的運行效率。本文則針對此分析了汽輪機運行期間振動的原因，并提出相應(yīng)的處理措施，以期為此后汽輪機的運行提供更多借鑒依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽輪機；運行振動；危害原因；處理措施

1 汽輪機振動危原因

汽輪機在正常運行過程中出現(xiàn)振動問題是不可避免的，但若汽輪機組出現(xiàn)劇烈的異常振動問題，那么就說明汽輪機組存在缺陷問題。制造水平、安裝施工、運行檢修、監(jiān)督管理，等等，這些都有可能引發(fā)異常振動問題，而且這些問題之間又是相互作用、相互影響的。要想及時、有效地進行故障排除，就必須優(yōu)先掌握引發(fā)汽輪機異常故障的常見原因。

1.1 運行中心不正

發(fā)生中心不正的原因主要有以下幾點：第一，汽輪機在啟動過程中因為暖機的時間不足，直接升速后負荷增加太快，導(dǎo)致氣缸受熱后膨脹不均勻，調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在卡澀問題，以至于汽缸無法自由膨脹，會與轉(zhuǎn)子發(fā)生相對性歪斜，汽輪機組產(chǎn)生了不正常的移位問題，從而引發(fā)汽輪機異常振動。第二，汽輪機組經(jīng)歷過大修理后，在安裝靠背輪時存在問題，以至于中心位置沒有找準(zhǔn)，在運行過程中產(chǎn)生了振動問題，說明此時產(chǎn)生的汽輪機異常振動情況是伴隨著負荷的不斷增加而增加。第三，若汽輪機組在進汽溫度遠遠超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的實際條件下運行，就會增加脹差與氣缸的變形風(fēng)險，以至于汽輪機軸向位移超出被允許的限度，從而引發(fā)汽輪機異常振動問題。第四，當(dāng)轉(zhuǎn)子因為某些原因和汽缸不同心時，極易發(fā)生間隙振蕩問題，從而導(dǎo)致汽輪機異常振動問題。

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

機組運行中葉片的脫落與磨損、腐蝕等現(xiàn)象使得轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不均勻，這種不均勻會使得轉(zhuǎn)子受到離心力的沖擊發(fā)生振動；轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲也會引起振動，主要是由于轉(zhuǎn)子彎曲后引起了汽輪機內(nèi)部組件的摩擦，該種振動與轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均勻受到離心力沖擊之后所引起的振動相類似，但是也有不同，這種振動最典型的表現(xiàn)是軸向振動，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度超出了臨界的轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子的軸向振動效果更為明顯；汽輪機轉(zhuǎn)子油膜不穩(wěn)定或者是受到其他外力作用遭到破壞等，也會引起振動，主要是油膜在遭到破壞以后，使得軸瓦烏金燒毀形成軸頸的彎曲；汽輪機內(nèi)部各組件之間發(fā)生摩擦?xí)鹫駝?，主要是動葉片與靜葉片之間的摩擦、通流部分間隙與安裝的處理不當(dāng)?shù)鹊哪Σ烈鸬恼駝?；水沖擊也會引起振動，這種沖擊會造成轉(zhuǎn)子軸向推力與扭力之間的不平衡，產(chǎn)生劇烈振動。

1.3 油膜振蕩

汽輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時所發(fā)生的軸瓦自激振動即為油膜振蕩。油膜震蕩的振動頻率與轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速接近而發(fā)生共振，使轉(zhuǎn)子發(fā)生強烈的振蕩，發(fā)生油膜振蕩時，機械聲音異常。另外，油膜不穩(wěn)定或受到破壞時，將會使軸瓦烏金燒毀及造成軸頸彎曲，引起汽輪機的劇烈振動。

1.4 摩擦造成

汽輪機由于長時間運行，對各個零部件均會造成不同程度的摩擦損傷，當(dāng)零部件的摩擦損害過于嚴(yán)重時，則會造成汽輪機的異常振動問題。汽輪機摩擦出現(xiàn)異常振動的特征如下：第一，轉(zhuǎn)子熱變形會對汽輪機造成不平衡力，使汽輪機的振動信號受到影響，會出現(xiàn)少量分頻、倍頻以及高頻分量等現(xiàn)象；第二，當(dāng)汽輪機發(fā)生摩擦?xí)r，汽輪機的振動會出現(xiàn)波動，波動的持續(xù)時間較長。而汽輪機摩擦過于嚴(yán)重時，汽輪機的振動幅度會大幅增加；第三，汽輪機在延緩運行過程中，下降速度超過臨界點時，汽輪機的振動幅度會增大。當(dāng)汽輪機停止轉(zhuǎn)動

后，汽輪機的測量軸會出現(xiàn)明顯晃動。簡而言之，汽輪機由于摩擦出現(xiàn)異常振動是由于摩擦致使汽輪機溫度升高，局部溫度過熱造成轉(zhuǎn)子熱變形，產(chǎn)生不平衡力造成的異常振動。

2 汽輪機振動對應(yīng)的危害

汽輪機振動對汽輪機的正常運行產(chǎn)生很大危害，具體包括以下幾個方面：

2.1 滑動軸承損壞，使汽輪機無法運行

汽輪機高速運行中，滑動軸承軸的軸瓦摩擦力較大，同時產(chǎn)生較高的溫度。這時，汽輪機的強烈振動會使滑動軸的軸瓦爆裂，讓滑動軸承抱死，致使汽輪機無法運轉(zhuǎn)。

2.2 滑銷系統(tǒng)磨損

滑銷系統(tǒng)一方面固定汽輪機氣缸及軸承外殼：一方面在運行中受熱或冷卻時，保證機組可以自由膨脹或收縮。滑銷嚴(yán)重磨損時，會影響機組的正常熱膨脹，從而引起更嚴(yán)重的事故。

2.3 葉片受力不均，使其變形或折斷

汽輪機在正常運轉(zhuǎn)中，蒸汽能量通過汽輪機葉片傳遞給機軸，進而轉(zhuǎn)化成機械動能。當(dāng)汽輪機發(fā)生振動時，葉片受力不均使動應(yīng)力過高而發(fā)生變形或折斷，對汽輪機運行產(chǎn)生影響。

2.4 零件松動或脫落，損壞機體或?qū)θ藛T傷害

汽輪機運轉(zhuǎn)中發(fā)生強烈振動，可能會使機組部件松動，嚴(yán)重時，甚至?xí)共考撀?。脫落部件可能隨汽輪機高速運轉(zhuǎn)飛出擊壞機體，也可能造成人員傷亡。

2.5 通流部分發(fā)生摩擦，嚴(yán)重時可能使主軸彎曲

汽輪機振動會使通流部分發(fā)生劇烈摩擦，對汽輪機主軸的沖擊力加大，嚴(yán)重時可能引起主軸彎曲現(xiàn)象，致使汽輪機組無法正常運轉(zhuǎn)。

2.6 直接或間接造成設(shè)備事故

當(dāng)汽輪機發(fā)生過大振動時，危急保安器或機組的其它保護儀表的正常工作將直接受到影響，嚴(yán)重時引起這些部件的誤動作，直接造成事故停機。若發(fā)電機定子鐵芯和端部線圈振動過大，會使鐵芯疊片間絕緣破壞和線圈繞組間絕緣損壞，造成鐵芯過熱損壞，使繞組之間或繞組對地短路。

3 汽輪機異常振動的故障檢修

3.1 汽輪機異常振動第一次檢修

在進行汽輪機異常振動檢修工作時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)汽輪機的運行情況進行反復(fù)檢修，確保汽輪機能夠進行正常工作。汽輪機異常振動的第一次檢修，應(yīng)當(dāng)分析汽輪機的運行情況，通過對汽輪機的各個部件進行檢查維修，應(yīng)當(dāng)確保汽輪機的各個參數(shù)能夠運行正常。對汽輪機進行故障檢修時，要根據(jù)汽輪機的故障問題，確定故障的原因，采取適宜的方法解決汽輪機異常振動問題。汽輪機異常振動的第一次檢修，是汽輪機故障檢修的基礎(chǔ)，通過對汽輪機進行整體檢查，可以修復(fù)汽輪機的運行問題，最大程度減輕汽輪機的異常振動情況，從而提高汽輪機的運行效率。

3.2 汽輪機異常振動第二次檢修

汽輪機在運行過程中出現(xiàn)故障問題時，可以通過多次檢修提高汽輪機的運行質(zhì)量。在進行汽輪機異常振動第二次檢修工作時，可以對汽輪機的重點問題進行維修，通過對汽輪機內(nèi)部進行檢修排查，可以調(diào)整汽輪機的內(nèi)部運行情況，避免汽輪機由于內(nèi)部運行問題出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象。同時，汽輪機要調(diào)整各個零部件的間隙，減少汽輪機零部件的摩擦情況，避免汽輪機由于摩擦問題造成異常振動。通過對汽輪機的異常振動進行第二次檢修，可以深入分析汽輪機的運行狀況，及時修復(fù)汽輪機存在的故障問題，避免汽輪機由于故障問題反復(fù)出現(xiàn)異常振動。

4 汽輪機振動的具體處理措施

4.1 安裝和運行中使轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)

汽輪機運轉(zhuǎn)時，較一般機械振動力大。這就要求安裝人員在汽輪機安裝時，基礎(chǔ)要牢固，防止機體產(chǎn)生較大振動。另外，在安裝其它機械部件時，必須保證轉(zhuǎn)子圓周對稱位置重量差及整圈最大重量值與最小重量值差值在合格范圍之內(nèi)。

4.2. 防止油膜失穩(wěn)

設(shè)計人員在設(shè)計汽輪機時應(yīng)適當(dāng)提升軸系穩(wěn)定性與系統(tǒng)阻尼，并做好相關(guān)工藝技術(shù)的檢查與控制工作，以免影響軸系的穩(wěn)定性，提高汽輪機的工作效率。日常汽輪機軸承維護工作可以有效防止油膜失穩(wěn)問題，對此，設(shè)計人員應(yīng)在遵循運行原則的基礎(chǔ)上增大對比壓與負載，降低軸承寬度。同時，還應(yīng)在提高油溫的基礎(chǔ)上增大承載系數(shù)，降低潤滑油粘度。但此種防止措施會降低油膜厚度，使汽輪機處于高溫工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致油質(zhì)老化問題，期間設(shè)計人員應(yīng)充分注意。

4.3 減少動靜部件間的摩擦

減少動靜部件之間摩擦，首先，在設(shè)備安裝時，要注意零部件間隙符合圖紙及規(guī)范要求，防止部件錯位等。潤滑油在機組正常運行中起潤滑、冷卻等作用，在設(shè)備運行中，時常注意潤滑油的使用情況，定期更換和添加，并對油溫及油系統(tǒng)濾網(wǎng)前后壓差進行監(jiān)測。

4.4 嚴(yán)格準(zhǔn)守操作程序

汽輪機在運行中，操作人員必須嚴(yán)格準(zhǔn)守操作程序，同時按規(guī)定，對水及蒸汽質(zhì)量進行監(jiān)控，防止水質(zhì)不好，使葉片結(jié)垢或腐蝕，同時要防止蒸汽中帶水，引發(fā)水擊現(xiàn)象。

5 汽輪機運行中振動防止技術(shù)應(yīng)用案例分析

5.1 案例機組振動問題

一方面是案例機組軸系情況，機組軸系高壓布置情況如下圖1所示。在沖轉(zhuǎn)過程中，工作人員同時開度4個高調(diào)閥對應(yīng)的噴嘴，使其同時進汽，且中壓缸的氣缸下半左、右兩側(cè)同時接入2個中壓聯(lián)合氣閥，當(dāng)將調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)至30%以下時，再熱器可以維持基本的壓力。當(dāng)調(diào)節(jié)閥流量超過30%時，應(yīng)全開總流量指令，通過高壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)負荷。機組在運行過程中突然發(fā)生軸振故障問題，進而導(dǎo)致跳機，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，軸系各處的軸振明顯增加，高中壓缸處發(fā)生最大的振幅變化，最大可超過290μm。其中1#瓦x軸系振動幅度約為170μm，Y軸系振動幅度約為190uum。同時，工作人員實踐觀察發(fā)現(xiàn)，隨著軸振的不斷增加，各軸瓦各處的瓦振也不斷增大，其與軸振保持同樣的振動頻率。

5.2 汽輪機振動問題原因及處理

① 分析故障數(shù)據(jù)

汽輪機軸振受多種因素的影響，且之間相互關(guān)聯(lián)聯(lián)系，對此，工作人員應(yīng)深入分析軸振故障的各種原因，針對性的制定解決措施。首先，汽輪機冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)期間，高壓缸軸承并未發(fā)生明顯變化，這主要因為軸系保持良好的平衡性，且軸承保持正常的支撐剛度。故障發(fā)生之前，配汽與機組軸系保持良好的運行狀態(tài)。對此，工作人員應(yīng)找出非軸系引發(fā)故障的相關(guān)因素。檢測發(fā)現(xiàn)，機組#3瓦振在運行期間并未發(fā)生異常情況，因此應(yīng)了解分析#1瓦與#2瓦軸承的實際頻譜，判斷故障位置。

② 軸振原因分析

分析可以得知，高頻故障問題相近于碰撞故障。軸系發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)速處于臨界狀態(tài)，軸系敏感于外界的擾動，引發(fā)嚴(yán)重的軸系振動突增問題。同時，實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其他電廠也發(fā)生過類似問題，嚴(yán)重影響了大功率汽輪機發(fā)電機組的正常運行，應(yīng)出臺完善的解決方案。

5.3 汽輪機運行軸振問題的解決

分析發(fā)現(xiàn)，動靜葉片或軸瓦碰撞屬于軸系故障問題的主要引發(fā)因素，在未并網(wǎng)發(fā)電時，機組沖轉(zhuǎn)起機導(dǎo)致氣缸膨脹不暢。同時，汽輪機在沖轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的相互耦合導(dǎo)致振動瞬間增大，引發(fā)跳機問題，運行后期機組嚴(yán)重碰磨，具體見下圖2所示。

由上圖分析可知，#1與#2軸振保持不穩(wěn)定運行模式，機組在快速升負荷階段對第三閥進行了負荷調(diào)節(jié)，負荷速率的突然增加增大了轉(zhuǎn)子徑向偏移量，發(fā)生碰磨問題。對此，汽輪機運行期間實際碰磨問題比較嚴(yán)重。之后工作人員采用電渦流傳感器診斷動靜部位的碰撞情況，判定具體位置。利用機械測振表有效測定故障信號，發(fā)現(xiàn)由轉(zhuǎn)子受熱不均引起熱彎曲，轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損問題。之后工作人員適當(dāng)降低了運行效率，更換處理零件，適當(dāng)增加油脂，增強了潤滑效果，有效解決了動靜摩擦問題，促進了汽輪機的正常穩(wěn)定運行。

結(jié)束語

汽輪機組的異常振動不僅危害機組，甚至?xí)绊懻麄€發(fā)電系統(tǒng)。因此要在了解其危害的基礎(chǔ)上進一步分析其產(chǎn)生的原因，這樣才能根據(jù)具體的原因采取更多的防止措施，確保其穩(wěn)定運行，保證安全正常發(fā)電，提高經(jīng)濟與社會效益水平。

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