一次風機轉子裂紋的故障診斷

吳 昕 李鳳軍 劉雙白 石清泉 田東來 孫好英

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院；2.華北電力科學研究院有限責任公司；3.陜西國華錦界能源有限責任公司）

一次風機作為火力發(fā)電機組的重要輔機設備，其安全穩(wěn)定運行直接關系著機組帶負荷能力。與主機設備不同，一次風機的振動監(jiān)測方法簡單，通常在軸承端蓋的水平和垂直兩方向布置振動傳感器，并將振動數(shù)據(jù)遠傳至DCS。這種單一的振動數(shù)據(jù)記錄方式給一次風機振動故障診斷帶來了諸多不精確因素。

雙極動葉可調一次風機的零部件較多，其故障特征也更為豐富。郭玉杰等分析某600 MW機組一次風機振動后認為，該風機執(zhí)行機構嚴重磨損造成兩級動葉開度不同步，通過更換一、二級執(zhí)行機構的銅套解決了振動故障［1］。王鳳良等通過對一次風機電機側進行剛度加固和外伸端動平衡消除了某300 MW機組一次風機的振動故障［2］。陳蓮芳和徐夕仁研究了某300 MW機組一次風機振動隨負荷同向變化現(xiàn)象，對該風機進行振動監(jiān)測分析認為，電機與風機間的齒聯(lián)軸器裂紋是引起振動幅值隨負荷顯著變化的根本原因［3］。曹景芳研究了某1 000 MW機組一次風機電機振動故障，分析認為該電機振動增大的根本原因是找正不合格，找正調節(jié)墊片接觸面積小，通過重新找正并更換尺寸合適的墊片，避免了故障進一步擴大［4］。

筆者針對某600 MW機組一次風機振動的快速劣化現(xiàn)象，通過對風機正常運行和惰走期間進行振動監(jiān)測、現(xiàn)場拆機檢查等過程，綜合診斷該風機的轉子故障。

1 設備簡介

某600 MW機組雙級動葉可調軸流式一次風機主要由進汽室、集流器、雙級動葉、導葉、擴壓管及動葉調節(jié)機構等部件構成（圖1）。雙級葉輪布置在軸承箱兩端，一次風機轉子和電動機轉子之間由一根空心長軸連接。電機轉子及風機轉子側分別由一個膜片式聯(lián)軸器與空心長軸連接［5］。該風機由上海鼓風機廠有限公司制造，型號為PAF19-14-2，主要技術參數(shù)如下：

圖1 一次風機構成示意圖

轉速 1 470 r/min

臨界轉速 1 984 r/min

葉片數(shù) 22片/級

葉片調節(jié)范圍 -30～15°

風量 106.9 m3/s

風壓 15 246 Pa

效率 86.19%

振動報警值 7.1 mm/s

振動跳機值 11.0 mm/s

2 劣化現(xiàn)象

機組于2020年10月底啟動，一次風機運行正常，軸承箱水平和垂直振速均保持在1.5 mm/s左右小幅波動。11月16日，操作人員發(fā)現(xiàn)一次風機振動有所爬升，兩天時間振速升高至2.0 mm/s，而運行電流和軸承溫度均無明顯變化，隨后加強關注。到了18日，水平方向振速持續(xù)爬升達到4.0 mm/s，且增速更快，經(jīng)工作人員測算，若保持當天的上升速率，該風機將在4 h后達到報警值。經(jīng)商討，機組降負荷至300 MW，將該一次風機退出并做停機檢修處理。

19日，檢修人員將一次風機解體進行全面檢查：膜片式聯(lián)軸器螺栓緊力正常，聯(lián)軸器無明顯磨損；液壓缸內部螺絲和推桿鎖母均未松動；風機軸承光亮如新，無明顯磨損點；風機轉子光潔度高；液壓油缸無漏油；銅套活動良好；葉片頂部無碰摩；兩級動葉同步度高。未檢查出明顯問題，清除葉片表面積灰并更換了膜片聯(lián)軸器后回裝。20日晚間再次啟動，運行初期，風機水平方向振速5.1 mm/s，運行4 h后振動達到報警值，再次停運風機?？梢?，此次運行期間振速上漲水平與18日的情形相近。

21日，檢修人員再次解體風機進行檢查，此次未拔出風機轉子。具體檢查過程為：吊出電機，復查磁力中心；抽出風機與電機間的連接軸，進行超聲波探傷；檢查軸承洼窩端面；探傷支撐導葉及其周邊焊縫。檢查并未發(fā)現(xiàn)問題，23日再次更換聯(lián)軸器回裝。

3 振動測試

在一次風機的一級葉輪后（3號軸承）和二級葉輪前（4號軸承）處對應的風機罩殼水平結合面分別布置水平和垂直振動傳感器，并在裸露軸段上敷設反光條進行鍵相測量。

23日14時，啟動一次風機，風機定速運行30 s后，相關保護動作，風機跳閘。表1為跳閘前振動測量結果，此時動葉開度為15%。

表1 一次風機振動測量結果 μm

基于表1中的數(shù)據(jù)可以得出：一級葉輪與二級葉輪水平振動均超過100μm，一級葉輪甚至達到162μm，說明DCS遠傳數(shù)據(jù)較為可靠，一次風機確實出現(xiàn)了振動異常的現(xiàn)象；振動以1倍頻為主，存在不小的2倍頻分量，還有少量的高頻分量，低頻（0.5倍頻）分量整體較小，通過頻率可以忽略。

此次一次風機啟動，捕捉到了機組啟動升速和停機惰走期間的振動數(shù)據(jù)。其中，升速期間由于時間較短，記錄的振動數(shù)據(jù)較少；停機惰走期間的振動數(shù)據(jù)更為完整。據(jù)此，繪制了降速過程振動趨勢圖（圖2）。

由圖2可以看出，降速過程中，風機轉速達900 r/min以上時存在振動峰值，3號和4號軸承對應位置水平振幅超過200μm。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，此處振動峰值主要源于2倍頻振動分量的突增（表2）。

表2 第1次停機惰走期間振動峰值的測量結果

圖2 第1次降速過程振動趨勢

15時，再次啟動風機，此時動葉開度15%。穩(wěn)定后測得：3號軸承水平方向振幅為161μm，垂直方向振幅為90μm；4號軸承水平方向振幅133μm，垂直方向振幅70μm。同時，DCS顯示垂直方向振速5.6 mm/s，水平方向振速9.9 mm/s。此次試轉55 min，期間調整了動葉開度，取兩側水平方向主要振動數(shù)據(jù)作趨勢圖（圖3）。由圖3可以看出：風機啟動運行后，兩側水平振動略有降低；動葉開度由15%升至58%后，通頻振幅略微上升，并隨著運行時間的增長穩(wěn)定上升至20μm；運行期間，2倍頻振動分量較穩(wěn)定，振幅的變化主要源于1倍頻分量的變化；兩側為同向振動，1倍頻 振動相位較為穩(wěn)定。

圖3 第2次啟動過程振動趨勢

16時，停止一次風機運行，再次記錄風機停機惰走期間的振動數(shù)據(jù)，整體趨勢與上次降速過程的情形相似，只是數(shù)值整體有所提高。

表3為第2次停機惰走期間振動峰值的測量結果，對比上次停機參數(shù)，此次停機振動峰值有了明顯的提升，整體通頻幅值增大30μm，各倍頻分量均有所提高，尤其是2倍頻的分量提高了50μm。

表3 第2次停機惰走期間振動峰值的測量結果

4 結果分析

通過對該一次風機的兩次運行過程的振動測試，筆者認為該風機存在轉子裂紋的可能性極大，判斷依據(jù)如下：

a.從定速后的振動頻譜看，該風機振動主要是倍頻振動，尤其是1倍頻與2倍頻的振動分量較大，幾乎不存在低頻雜波。振動的頻譜結構基本說明該風機支撐情況良好，結合現(xiàn)場對各個支撐導葉和軸承洼窩的檢查情況，筆者初步判斷振動故障主要源于轉動部件。由于通過頻率較低，因此可排除兩級動葉同步度差的情況。

b.考慮振動劣化過程，轉動部件應存在一個持續(xù)惡化的故障原因?，F(xiàn)場檢查各螺絲部件，并未發(fā)現(xiàn)任何問題，因此筆者開始懷疑風機轉子存在裂紋，并仍在持續(xù)擴展。同時，從風機兩次停機惰走期的振動參數(shù)來看，該轉子在910～950 r/min時存在2倍頻峰值，對比轉子1 984 r/min的臨界轉速，發(fā)生2倍頻峰值區(qū)域恰巧是轉子副臨界區(qū)。一般情況，當轉子出現(xiàn)橫向裂紋，由于轉子兩側剛度不對稱，使得2倍頻振動分量增大，當轉子轉到0.5倍臨界轉速時，極易出現(xiàn)2倍頻分量峰值。同時，由于裂紋的存在，造成轉子剛度的降低，導致轉子產(chǎn)生一定的不平衡量，且該不平衡量將隨著裂紋的擴展持續(xù)增大，引起轉子1倍頻振動分量和通頻值的快速增大。

圖4為4次停機時DCS記錄的振速峰值，4次停機的時間節(jié)點分別為11月18日首次檢修前、20日第2次檢修前、23日首次振動測試前和23日第2次振動測試前。由圖4可以看出，僅啟停3次，累計運行5 h，兩側振速已增至5.5 mm/s，如此劇烈的振動劣化，說明此期間轉子橫向裂紋產(chǎn)生了明顯的擴展，甚至每次啟動都促進了轉子裂紋的擴展?？紤]到一次風機軸頸較細，不建議再次試轉風機，應立即解體檢查。

圖4 停機時振速峰值變化趨勢

5 解體檢查

檢修人員將風機轉子抽出后，對轉軸進行了仔細檢查，尤其是各圓角處。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在靠近一級葉輪處的過渡段存在明顯的橫向裂紋（圖5），裂紋長達300 mm（該處軸頸周長540 mm）?？紤]到設備安全，該轉子作報廢處理。

圖5 裂紋實拍照片

重新更換轉子后，風機再次啟動，轉動平穩(wěn)，DCS遠傳振速1.6 mm/s，就地振動測試通頻振幅均低于25μm。風機振動故障消除，機組得以正常投入生產(chǎn)運行。

6 結束語

針對某600 MW機組一次風機振動的快速劣化現(xiàn)象，通過現(xiàn)場振動測試分析認為該風機轉子存在橫向裂紋，并經(jīng)檢修得以驗證，最終通過更換風機轉子，解決了該風機振動故障。基于上述過程得出如下經(jīng)驗：風機轉子惰走期間，當副臨界轉速區(qū)出現(xiàn)明顯的2倍頻峰值，且隨運行時間和停機次數(shù)穩(wěn)步增加時，轉子極有可能出現(xiàn)橫向裂紋，此時應密切關注設備運行狀態(tài)；當此類風機轉子出現(xiàn)橫向裂紋時，振動極有可能呈現(xiàn)指數(shù)形式劣化，即隨著運行時間的延長，振動劣化將越發(fā)迅速。