C50-90/13-Ⅱ型汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速探頭失效故障診斷及處理

馬 斌，張 鵬，楊彩燕，沈紅霞

(馬鋼股份有限公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000)

引言

C50-90/13-Ⅱ型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖輪安裝在轉(zhuǎn)子前端小軸頭位置，小軸頭與主軸之間為反旋螺牙連接，通過(guò)測(cè)速探頭測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖輪運(yùn)行軌跡信號(hào)顯示主軸轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。如果測(cè)速探頭不能正常工作，將造成機(jī)組超速保護(hù)失去重要監(jiān)測(cè)信號(hào)，給汽輪機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)極大隱患，甚至造成惡性事故。對(duì)此異常現(xiàn)象應(yīng)采取消缺處理。

1 異常情況描述

2016年12月，機(jī)組小修過(guò)程中，解體發(fā)現(xiàn)前箱內(nèi)一只DCS畫(huà)面顯示用的測(cè)速探頭磨損嚴(yán)重。探頭固定裝置安裝5只探頭，其中3只作為DCS信號(hào)顯示，一只在停機(jī)前確認(rèn)為顯示失常，通過(guò)停機(jī)后檢查確認(rèn)故障點(diǎn)屬實(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)百分表測(cè)量小軸頭徑向跳動(dòng)為0.68 mm/ -0.65 mm，將小軸頭、轉(zhuǎn)速脈沖輪拆下清洗復(fù)裝后，測(cè)量小軸頭徑向靜態(tài)跳動(dòng)為0.67 mm/ -0.66 mm，數(shù)據(jù)基本沒(méi)有變化，受檢修工期影響，在進(jìn)行常規(guī)更換熱控測(cè)速探頭、調(diào)整探頭與轉(zhuǎn)速脈沖輪間隙檢查后恢復(fù)運(yùn)行。此次間隙調(diào)整中，以小軸頭徑向靜態(tài)跳動(dòng)0.67 mm點(diǎn)為基點(diǎn)留間隙0.50 mm，即轉(zhuǎn)速脈沖輪與測(cè)速探頭的最小間隙為0.50 mm，最大間隙0.50+0.66=1.16 mm，符合探頭與脈沖輪最大允許間隙值為1.20 mm標(biāo)準(zhǔn)要求。機(jī)組啟動(dòng)低轉(zhuǎn)速過(guò)程中，檢查探頭仍有碰磨異音，停機(jī)檢查碰磨點(diǎn)并進(jìn)行間隙微量修正后，恢復(fù)運(yùn)行并確認(rèn)碰磨異聲消除。

2017年4月，機(jī)組大修中，對(duì)該機(jī)組小軸頭測(cè)速裝置進(jìn)行了測(cè)量校正，檢修校正方法為測(cè)量小軸頭彎曲度，符合標(biāo)準(zhǔn)。裝配時(shí)在主軸與小軸頭連接端面，在軸的跳動(dòng)最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位處增加10 mm×8 mm×1 mm厚的鋼質(zhì)墊，打表測(cè)量靜態(tài)跳動(dòng)為0.64 mm/ -0.61 mm，機(jī)組起機(jī)后發(fā)現(xiàn)情況并沒(méi)有好轉(zhuǎn)。

2017年11月,機(jī)組小修，為改善軸頭跳動(dòng)情況，檢修人員對(duì)小軸頭測(cè)速裝置進(jìn)行了一次施加機(jī)械外力校正小軸頭軸線水平度，并在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速脈沖輪與小軸頭連接面圓周的鍵銷切斷，更換了鍵銷和轉(zhuǎn)速脈沖輪后，經(jīng)打表測(cè)量小軸頭徑向靜態(tài)跳動(dòng)為0.63 mm/ -0.58 mm，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行后，探頭碰磨現(xiàn)象雖有改善，但未能徹底解決，檢修效果仍不明顯。

通過(guò)對(duì)前期歷次檢修作業(yè)及轉(zhuǎn)速探頭異常情況分析，2018年1月,利用機(jī)組臨停機(jī)會(huì)，再次將汽輪機(jī)前箱揭開(kāi)對(duì)小軸頭測(cè)速裝置進(jìn)行檢修，拆下小軸頭，拆解小軸頭和轉(zhuǎn)速脈沖輪，對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行了仔細(xì)檢查（如圖1），對(duì)裝配痕跡進(jìn)行了觀察和比對(duì)，最終發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題根源，即小軸頭與主軸鏈接為反牙螺紋，由于螺紋配合間隙、公差及旋轉(zhuǎn)角公差等原因，使小軸頭軸線相對(duì)主軸軸線在最后裝配時(shí)同心度出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致小軸頭上的轉(zhuǎn)速脈沖輪徑向跳動(dòng)超標(biāo)。通過(guò)優(yōu)化裝配措施，機(jī)組啟動(dòng)后正常運(yùn)行至今，最終解決了此項(xiàng)異常。

圖1 小軸頭安裝調(diào)整跳動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量

2 過(guò)程分析診斷

2.1 前期檢修分析診斷

通過(guò)對(duì)機(jī)組歷次檢修及啟動(dòng)過(guò)程對(duì)比觀察，前箱異音及轉(zhuǎn)速探頭失效，初步分析為轉(zhuǎn)速脈沖輪與測(cè)速探頭發(fā)生了碰磨所致。通過(guò)測(cè)量小軸頭靜態(tài)跳動(dòng)值3組數(shù)據(jù)看，高點(diǎn)最小值為0.63 mm，在間隙調(diào)整時(shí)建議熱工專業(yè)以最高點(diǎn)為間隙基點(diǎn)，轉(zhuǎn)速脈沖輪與測(cè)速探頭靜態(tài)間隙最小值預(yù)留為0.50 mm，這樣可以保證最高點(diǎn)為0.63 mm+0.50 mm=1.13 mm，未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值1.20 mm。測(cè)量汽輪機(jī)主軸彎曲值為0.03 mm，數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從實(shí)際運(yùn)行工況跟蹤，檢修實(shí)際裝配間隙顯然沒(méi)有滿足運(yùn)行中轉(zhuǎn)速脈沖輪與測(cè)速探頭之間運(yùn)行間隙需求。根據(jù)2016年小修檢測(cè)數(shù)據(jù)，初步推測(cè)造成小軸頭徑向靜態(tài)跳動(dòng)0.67 mm/ -0.66 mm偏大的原因是小軸頭有可能存在彎曲度超標(biāo)問(wèn)題，故檢修方案中建議更換小軸頭和轉(zhuǎn)速脈沖輪。然而，2017年大修拆解小軸頭后對(duì)彎曲度進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，彎曲度在合格范圍內(nèi)，排除了初期小軸頭彎曲的判斷，轉(zhuǎn)速脈沖輪齒雖有磨損，但影響不大。

2.2 部件動(dòng)態(tài)工況下分析

由于小軸頭裝配屬懸臂式安裝，在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況下受動(dòng)態(tài)離心力影響，小軸頭撓度會(huì)隨之增大，即小軸頭運(yùn)行中實(shí)際跳動(dòng)值會(huì)比靜態(tài)測(cè)量值大，這樣靜態(tài)安裝時(shí)轉(zhuǎn)速脈沖輪與測(cè)速探頭之間預(yù)留間隙在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)被減小，當(dāng)運(yùn)行間隙小于規(guī)定值時(shí)將造成轉(zhuǎn)速脈沖輪與測(cè)速探頭之間碰磨。然而，小軸頭的動(dòng)態(tài)撓度無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，而轉(zhuǎn)速脈沖輪和測(cè)速探頭之間的靜態(tài)最大允許值為1.2 mm，超出此標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速信號(hào)不能有效顯示，即轉(zhuǎn)速脈沖輪和測(cè)速探頭之間的間隙不能超出標(biāo)準(zhǔn)隨意放大。前期檢修中由于小軸頭徑向跳動(dòng)值偏大，采用倒推法取中間值做為基準(zhǔn)，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖輪和測(cè)速探頭磨損量，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速脈沖輪和測(cè)速探頭動(dòng)態(tài)間隙預(yù)留量，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，該方法未能有效解決探頭碰磨后失效異常的問(wèn)題。

2.3 跳動(dòng)最大允許值和間隙預(yù)留量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速脈沖輪齒的磨損量為0.15 mm到0.18 mm，測(cè)速探頭磨損量為0.22 mm到0.26 mm，計(jì)算出當(dāng)時(shí)小軸頭在動(dòng)態(tài)下最大跳動(dòng)為0.18 mm+0.26 mm+0.50 mm（靜態(tài)預(yù)留間隙）=0.94 mm，計(jì)算小軸頭靜態(tài)測(cè)量跳動(dòng)最大允許值為0.94 mm-0.67 mm=0.28 mm。為了確保設(shè)備運(yùn)行中離心力作用影響，轉(zhuǎn)速脈沖輪和測(cè)速探頭預(yù)留動(dòng)態(tài)間隙為0.10 mm，最終確定小軸頭靜態(tài)跳動(dòng)最大允許跳動(dòng)值定為0.15 mm以內(nèi)，這樣轉(zhuǎn)速脈沖輪和測(cè)速探頭靜態(tài)實(shí)測(cè)間隙須低于1.05 mm。

2.4 檢修裝配痕跡判斷

對(duì)上述4次檢修工序進(jìn)行檢查，檢修人員均按照正常次序進(jìn)行裝配拆卸，小軸頭連接的螺紋和鍵槽完好，脈沖輪鍵槽完好、鍵完好，各裝配部件完好無(wú)異常。通過(guò)細(xì)致觀察對(duì)比，在最后一次檢修裝配拆卸檢查中發(fā)現(xiàn)，原檢修單位加裝在小軸頭與主軸之間的止回調(diào)整墊平面裝配后，平面擠壓受力痕跡不一樣，測(cè)量墊片厚度有微量變化。針對(duì)墊片痕跡，現(xiàn)場(chǎng)模擬進(jìn)行加裝和去除止回調(diào)整墊片裝配試驗(yàn)，表計(jì)測(cè)量小軸頭跳動(dòng)值仍維持原樣，分析墊片平面圓周痕跡應(yīng)為小軸頭與主軸連接的螺紋存有加工誤差，導(dǎo)致連接后小軸頭軸線與主軸軸線不在一條軸線上，而是形成一個(gè)微量夾角，致使雖主機(jī)主軸與小軸頭單件測(cè)量彎曲度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但整體連接后小軸頭徑向跳動(dòng)超標(biāo)。

3 故障解決途徑

通過(guò)以上分析，整理小軸頭徑向跳動(dòng)問(wèn)題的根源為：

（1）小軸頭與主軸之間連接螺紋加工誤差造成兩軸線同軸度誤差過(guò)大。

（2）檢修中已考慮在端面加墊片調(diào)整，但由于鋼墊片面積過(guò)大，造成小軸頭連接端面最低點(diǎn)相位處調(diào)整無(wú)效。

綜合上述兩點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)止回墊片進(jìn)行改良，將其中一個(gè)平面加工成斜面(如圖2)，利用這個(gè)斜度來(lái)補(bǔ)償小軸頭與主軸之間連接螺紋加工的誤差，達(dá)到調(diào)整消除兩軸線同軸度誤差的目的。

圖2 加工中的斜面止回墊片

通過(guò)小軸頭長(zhǎng)度測(cè)量，同時(shí)確定小軸頭和止回墊片最低點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，計(jì)算出小軸頭軸線與水平線的夾角及小軸頭螺紋與主軸螺紋之間連接的軸向間隙偏差，按照所得的數(shù)據(jù)以止回墊片最低點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn)為基點(diǎn)，將止回墊片面加工成一個(gè)單面為斜面的止回墊片，考慮到小軸頭和脈沖輪裝配誤差要有調(diào)整余量，實(shí)際斜面加工量為計(jì)算值的60%～70%，以達(dá)到調(diào)整處理小軸頭軸線與水平線的夾角，從而改善測(cè)速脈沖輪徑向跳動(dòng)數(shù)據(jù)，解決探頭碰磨后失效故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備零件的機(jī)械加工誤差與現(xiàn)場(chǎng)裝配調(diào)整有著密不可分的關(guān)系。對(duì)于設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的異常故障，需要結(jié)合運(yùn)行和檢修兩方面因素綜合考量。尤其要關(guān)注某些情況下單體部件檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)，但由于局部加工公差以及組裝后累積誤差，極易導(dǎo)致組裝后部件裝配數(shù)據(jù)出現(xiàn)超差現(xiàn)象，這就需要檢修技術(shù)人員熟悉部件動(dòng)態(tài)工況下運(yùn)行變化量，通過(guò)理論計(jì)算與工件制作修配，在最終裝配過(guò)程中預(yù)先消化調(diào)整不利余量，才能保證靜態(tài)調(diào)整后數(shù)據(jù)滿足動(dòng)態(tài)實(shí)際運(yùn)行需求，最大限度減少設(shè)備運(yùn)行中異?，F(xiàn)象發(fā)生。