某汽輪機(jī)振動(dòng)大及低壓內(nèi)缸裂紋原因分析與處理

黃建強(qiáng)， 朱熹， 彭金龍， 宋建華， 原曉葉

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)618000）

0 引言

保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行是汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，某聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)運(yùn)行2 a后出現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)大、低壓內(nèi)缸裂紋的情況，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

本文從該機(jī)組運(yùn)行情況、低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析，分析了該項(xiàng)目低壓內(nèi)缸產(chǎn)生裂紋的原因，并制定了相應(yīng)的處理措施。

1 問(wèn)題描述

該機(jī)組為某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的2×400 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，汽輪機(jī)型號(hào)LC/150/94-11.01/1.0/566/566。燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)為同軸布置，其布置方式如圖1所示。

圖1 機(jī)組布置

該機(jī)組于2015年5月投運(yùn)，在2018年2號(hào)機(jī)組C修期間發(fā)現(xiàn)低壓內(nèi)缸上半進(jìn)汽口位置進(jìn)汽面及相應(yīng)背面出現(xiàn)2處貫穿性裂紋，處于對(duì)稱位置，長(zhǎng)度尺寸在110 mm 左右，形貌如圖2所示。另外在進(jìn)汽筋板下部一側(cè)焊縫處也出現(xiàn)長(zhǎng)約3 mm的裂紋，形貌如圖3所示。

檢查后發(fā)現(xiàn)，隔板汽封和葉頂汽封均有不同程度的磨損。正反1級(jí)葉頂汽封損傷嚴(yán)重:磨損、斷裂、變形、脫落，下半隔板汽封均比上半磨損嚴(yán)重，最大磨損量達(dá)2 mm，中低壓連通管波紋管護(hù)板出現(xiàn)卡住變形情況，如圖4所示。

該機(jī)組于2017年檢修后，6月20日首次啟動(dòng)，啟動(dòng)定速后，汽機(jī)進(jìn)汽加負(fù)荷過(guò)程中，5#、6#軸振出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，最大5X達(dá)128 μm，然后一直存在，夏季工況時(shí)，汽機(jī)進(jìn)汽升負(fù)荷過(guò)程較頻繁地出現(xiàn)5#、6#軸振大的現(xiàn)象，且在正常運(yùn)行中，也偶爾出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)的現(xiàn)象。

圖2 進(jìn)汽板上兩處對(duì)稱分布裂紋形貌

圖3 進(jìn)汽筋板下部裂紋分布和形貌

圖4 中低壓連通管波紋管護(hù)板變形情況

2 運(yùn)行情況收集

機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)速在2000 r/min左右，低壓調(diào)閥打開進(jìn)汽，由于低壓主汽溫度低于中排溫度，造成低壓缸進(jìn)汽溫度大幅降低120～80 ℃（100 s內(nèi)降低，最多達(dá)到140～150 ℃）。隨著汽機(jī)負(fù)荷開始增加，低壓再熱調(diào)閥從30%逐步開大過(guò)程中（從開始開大到全開約20 min左右），6X振動(dòng)出現(xiàn)增大，在調(diào)閥全開后，低壓缸入口溫度測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2均有大幅下降，溫度降低約180～140 ℃（從溫度開始降低到溫度恢復(fù)正常，時(shí)間持續(xù)約3 min）。

圖5 2017年8月17日4#～8#軸振幅值趨勢(shì)

2017年6月19日，2號(hào)機(jī)組結(jié)束檢修工作，6月20日機(jī)組檢修后啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)，此后運(yùn)行期間機(jī)組呈現(xiàn)升降負(fù)荷階段迅速增大的現(xiàn)象。經(jīng)查，2017年7月間6X測(cè)點(diǎn)通頻幅值超過(guò)160 μm，2017年8月17日6X測(cè)點(diǎn)最大幅值超過(guò)220 μm，如圖5所示。頻譜分析顯示振動(dòng)主要的頻率成分為基頻，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)。上述現(xiàn)象一直延續(xù)至今。

經(jīng)調(diào)查分析，該現(xiàn)象呈現(xiàn)以下主要特點(diǎn)：1）低壓缸軸振與負(fù)荷升降直接相關(guān)，負(fù)荷在120～190 MW升降階段出現(xiàn)大幅度振動(dòng)波動(dòng)；2）相位變化存在一定的規(guī)律，峰值點(diǎn)幅值越大，相位變化越大，其中，5X測(cè)點(diǎn)相位在峰值點(diǎn)附近相位變化100°，6X測(cè)點(diǎn)相位在峰值點(diǎn)附近相位變化40°；3）振動(dòng)幅值與各金屬測(cè)點(diǎn)溫度、回油溫度、軸封汽溫度、排汽溫度無(wú)明顯關(guān)聯(lián)；4）在汽輪機(jī)帶負(fù)荷之初，低壓缸溫度升高的同時(shí)，低壓轉(zhuǎn)子軸振開始增大，或者在低壓缸進(jìn)汽溫度降低的時(shí)候，低壓轉(zhuǎn)子軸振增大；5）在振動(dòng)波動(dòng)期間，低壓缸進(jìn)汽溫度出現(xiàn)下降后迅速上升的趨勢(shì)，大約波動(dòng)140～180℃；6）振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生有一定的再現(xiàn)性，但也會(huì)出現(xiàn)“時(shí)來(lái)時(shí)走”的間歇性特征；7）機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行與空載運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)平穩(wěn)，幅值較小，相位重復(fù)性好，且無(wú)高頻成分的干擾。

3 振動(dòng)原因分析[1]

1）升降負(fù)荷階段產(chǎn)生的振動(dòng)波動(dòng)與金屬溫度、回油溫度、低頻波動(dòng)無(wú)關(guān)，排除軸承穩(wěn)定性問(wèn)題帶來(lái)的振動(dòng)波動(dòng)。

2）振動(dòng)大發(fā)生在5#、6#支持軸承，即汽輪機(jī)低壓部分，低壓部分蒸汽參數(shù)低，且為對(duì)稱雙分流結(jié)構(gòu)，汽封間隙均勻設(shè)計(jì)，基本可排除汽流激振；結(jié)合開缸后隔板汽封和徑向汽封均有不同程度的磨損，基本可判定機(jī)組振動(dòng)大產(chǎn)生的原因?yàn)閯?dòng)靜碰磨。

4 動(dòng)靜碰磨原因分析

1）連通管膨脹節(jié)護(hù)板卡住變形造成膨脹節(jié)伸縮不暢，使連通管對(duì)低壓內(nèi)缸進(jìn)汽口產(chǎn)生額外的推力，加劇了低壓缸進(jìn)汽口的疲勞損傷。

2）該項(xiàng)目低壓內(nèi)缸上半布置有供熱蝶閥，為增加低壓缸剛度，布置有如圖6所示兩個(gè)支撐板，但低壓內(nèi)缸進(jìn)汽口由于兩側(cè)支撐板的原因剛度較大（汽缸壁厚為35 mm，支撐板厚度為90 mm），膨脹較慢，蒸汽溫度變化時(shí)支撐板熱脹冷縮速度低于汽缸熱脹冷縮速度，引起低壓內(nèi)缸變形并影響到動(dòng)靜間隙，造成動(dòng)靜碰磨。支撐板的位置位于低壓正反1～3級(jí)支撐持環(huán)處，由現(xiàn)場(chǎng)開缸檢查數(shù)據(jù)看，低壓正反1～3級(jí)汽封磨損相對(duì)嚴(yán)重，最大磨損量達(dá)2 mm；其余級(jí)次磨損量相對(duì)較小，甚至沒有磨痕，這種情況也間接印證了低壓內(nèi)缸中部變形量最大。對(duì)低壓內(nèi)缸穩(wěn)態(tài)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)下汽缸出現(xiàn)裂紋處應(yīng)力為40 MPa,安全裕度足夠。

圖6 低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

圖7 內(nèi)缸穩(wěn)態(tài)應(yīng)力計(jì)算

3）結(jié)合運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，該機(jī)組在升轉(zhuǎn)速及升負(fù)荷過(guò)程中，出現(xiàn)的短時(shí)間內(nèi)蒸汽溫度驟降的情況，分別為：升轉(zhuǎn)速中低壓主汽溫度低于中排溫度造成低壓缸進(jìn)汽溫度大幅降低120～80 ℃（100 s內(nèi)降低，最多達(dá)到140～150℃）；升負(fù)荷過(guò)程中溫度降低約180～140 ℃（從溫度開始降低到溫度恢復(fù)正常，時(shí)間持續(xù)約3 min），短時(shí)間內(nèi)的溫度突降產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，在附加短時(shí)間溫度熱應(yīng)力后，低壓內(nèi)缸出現(xiàn)裂紋處應(yīng)力超過(guò)許用值。

綜上所述，該機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)大的原因?yàn)槠鬃冃我鸬男D(zhuǎn)部件和靜止部件碰磨。而造成汽缸變形及局部裂紋的原因主要是連通管膨脹不暢造成的額外推力，低壓內(nèi)缸支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成汽缸熱脹冷縮不暢及局部應(yīng)力過(guò)大，機(jī)組升轉(zhuǎn)速及升負(fù)荷過(guò)程中蒸汽溫度突變產(chǎn)生的熱應(yīng)力。低壓內(nèi)缸進(jìn)汽室處出現(xiàn)裂紋的原因?yàn)橹伟逶O(shè)計(jì)不合理，以及啟動(dòng)和帶負(fù)荷過(guò)程中進(jìn)汽溫度突變?cè)斐傻臒釕?yīng)力過(guò)大。

5 處理措施

1）對(duì)產(chǎn)生了膨脹不暢的連通管及受損汽封進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)該連通管進(jìn)行剛度實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，降低連通管剛度，避免連通管對(duì)汽輪機(jī)低壓缸產(chǎn)生額外推力。

2）更改低壓內(nèi)缸支撐板結(jié)構(gòu)（如圖8），使低壓內(nèi)缸及低壓內(nèi)缸進(jìn)汽口不再是由支撐板連接成的一個(gè)整體，避免因支撐板剛度過(guò)大、熱脹冷縮不暢造成低壓內(nèi)缸變形，從而影響動(dòng)靜間隙。同時(shí)對(duì)低壓進(jìn)汽口出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)焊，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

圖8 低壓內(nèi)缸處理措施

3）更改機(jī)組沖轉(zhuǎn)參數(shù)，提高機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)低壓缸進(jìn)汽參數(shù)，避免機(jī)組升轉(zhuǎn)速過(guò)程中出現(xiàn)的蒸汽參數(shù)降低的情況；同時(shí)從系統(tǒng)上排查升負(fù)荷過(guò)程中低壓蒸汽參數(shù)降低的原因，消除蒸汽參數(shù)變化引起的熱應(yīng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該電廠機(jī)組設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況分析，找出了該汽輪機(jī)振動(dòng)大及低壓內(nèi)缸裂紋的原因，提出了處理措施；經(jīng)過(guò)處理后，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程振動(dòng)良好，再次開缸后，未發(fā)現(xiàn)汽封磨損情況，證實(shí)了上述處理措施是有效的。此次問(wèn)題處理也為后續(xù)汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)起到了很好的借鑒作用。