背壓汽輪機(jī)振動(dòng)過大的分析與處理

賈自強(qiáng)，黃漢華，孫景偉，常 誠(chéng)，杜華慧

(1.中國(guó)五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223;2.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司鮑店煤礦,山東 濟(jì)寧 272000)

驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的汽輪機(jī)屬于化工廠的關(guān)鍵設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)裝置和工廠至關(guān)重要。某項(xiàng)目的背壓式汽輪機(jī)在單機(jī)試車過程中，多次出現(xiàn)振動(dòng)過大的現(xiàn)象并觸發(fā)跳車。本文從多方面進(jìn)行了分析排查，根據(jù)故障原因給予針對(duì)性處理，整改后保證了項(xiàng)目進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 問題概述

1.1 機(jī)組概況

機(jī)組負(fù)載是離心壓縮機(jī)，提供高壓CO2氣，用于向氣化爐輸送煤粉。透平型號(hào)BHS25/01，汽輪機(jī)徑向軸承為四油楔橢圓瓦軸承，推力軸承為雙端面Kingsbury軸承。機(jī)組主要參數(shù)見表1。

表1 汽輪機(jī)主要參數(shù)

1.2 問題描述

2015年10 月13 日，機(jī)組進(jìn)行無(wú)負(fù)荷試車。升到7 460 r/min時(shí)，施工單位儀表工程師調(diào)整探頭時(shí)觸發(fā)溫度誤聯(lián)鎖。在約0.5 h后再熱態(tài)試車時(shí)，出現(xiàn)振動(dòng)聯(lián)鎖(機(jī)組設(shè)定的報(bào)警值為72μm，聯(lián)鎖值為100μm)。在廠家指導(dǎo)下嘗試延長(zhǎng)暖機(jī)時(shí)間，但并未奏效。此后數(shù)次沖轉(zhuǎn)均出現(xiàn)類似振動(dòng)聯(lián)鎖。表2為前兩次試車各轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。其中，測(cè)點(diǎn)3194A為前軸承速關(guān)閥側(cè)，3194B為前軸承速關(guān)閥對(duì)側(cè)，3195A為后軸承速關(guān)閥側(cè)，3195B為后軸承速關(guān)閥對(duì)側(cè)。初期振動(dòng)最大值在3195A處；隨轉(zhuǎn)速上升，3194A處振動(dòng)迅速增大并先觸發(fā)聯(lián)鎖。

表2 試車中汽輪機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù) μm

2 排查軸承及機(jī)組應(yīng)力

2.1 徑向軸承偏磨

打開軸承箱，發(fā)現(xiàn)后軸承徑向軸瓦的摩擦帶呈楔形，外側(cè)摩擦痕跡寬度約為內(nèi)測(cè)的2倍(見圖1)，前軸承瓦塊摩擦痕跡正常，表明轉(zhuǎn)子在排汽端出現(xiàn)了一定程度擺動(dòng)。廠家認(rèn)為該偏磨痕跡影響不大，但還是更換了排汽端徑向軸承，原軸承返廠修復(fù)后作為備件。

圖1 排汽端徑向軸承瓦面

2.2 進(jìn)汽端膨脹間隙不足

汽輪機(jī)升溫時(shí)缸體和轉(zhuǎn)子受熱后，缸體和前軸承座會(huì)向前軸承側(cè)膨脹，安裝時(shí)應(yīng)預(yù)留足夠膨脹間隙。運(yùn)行中如限位螺柱(貓爪)頂死、膨脹受限，缸體會(huì)產(chǎn)生巨大應(yīng)力，可能使動(dòng)、靜件發(fā)生擦碰，嚴(yán)重者將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子變形[1]。

在設(shè)計(jì)上本機(jī)組向前軸承座方向膨脹可達(dá)3 mm。試車時(shí)，前軸承座貓爪處在軸向膨脹空間只有1.2 mm。故機(jī)組不能自由膨脹。

機(jī)組公用底板上的臺(tái)座間距在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法改動(dòng)。經(jīng)廠家計(jì)算，在滿足強(qiáng)度的情況下對(duì)限位螺柱的直徑進(jìn)行了車削處理，加工后膨脹間隙擴(kuò)大為4 mm。

2.3 進(jìn)汽管道發(fā)生頂缸

機(jī)組冷態(tài)時(shí)，在貓爪、速關(guān)閥垂直方向架百分表。暖機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)速關(guān)閥上升約2 mm，速關(guān)閥側(cè)貓爪處上升0.2 mm后頂死，對(duì)側(cè)貓爪處上升0.15 mm左右，表明機(jī)組升溫后出現(xiàn)管道頂缸現(xiàn)象。

蒸汽管道在高溫下會(huì)發(fā)生膨脹，膨脹后施加給缸體的應(yīng)力須限制在允許范圍內(nèi)，否則輕則引發(fā)軸承振動(dòng)、溫度超標(biāo)，重則造成動(dòng)靜件接觸摩擦，甚至機(jī)組永久變形。本汽輪機(jī)質(zhì)量較輕(1 700 kg)，更容易出現(xiàn)頂缸。

管道模型及彈簧支撐見圖2，紫色節(jié)點(diǎn)為彈簧支撐，綠色節(jié)點(diǎn)為限位管架，其中離速關(guān)閥最近的點(diǎn)1055、415為恒力彈簧支撐，點(diǎn)412為變力彈簧支撐。若在速關(guān)閥前對(duì)管道進(jìn)行硬限位，速關(guān)閥及缸體的膨脹無(wú)處釋放，應(yīng)力模擬顯示產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)超機(jī)組允許范圍。為改善管道頂缸，將點(diǎn)1055、415及412彈簧卸載了部分拉力，使垂直段蒸汽管道更容易向下膨脹。

圖2 進(jìn)汽管道模型及支撐

汽輪機(jī)管口載荷公式見式(1)～(3)：

Lt=Fr+1.09Mr

(1)

(2)

(3)

其中：Lt為管口總載荷；Fr為合力；Mr為合力矩；Fx、Fy、Fz為管口3個(gè)方向上受的力；Mx、My、Mz為管口3個(gè)方向上受的力矩。

調(diào)整彈簧后，根據(jù)仿真分析，管道作用在速關(guān)閥管口的總載荷為8 277 kN/m2(方向向上)，廠家確認(rèn)可以接受。

排查整個(gè)進(jìn)汽管道時(shí)，發(fā)現(xiàn)圖2中405點(diǎn)應(yīng)為軸向限位點(diǎn)，但施工時(shí)軸向和垂直均作了限位；點(diǎn)290應(yīng)為垂直限位，但實(shí)際做成了軸向限位。此兩處限位離缸體較遠(yuǎn)，但對(duì)管道的自由膨脹會(huì)有一定影響。按設(shè)計(jì)，對(duì)上述支點(diǎn)進(jìn)行了整改。

采取上述措施后再次進(jìn)行了無(wú)負(fù)荷試車，振動(dòng)問題有所改善，但仍出現(xiàn)振動(dòng)高聯(lián)鎖。上述現(xiàn)象說明，管道頂缸不是跳車的直接原因，或者頂缸已經(jīng)造成機(jī)組其他故障。

3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

為進(jìn)一步排查，調(diào)取了ITCC記錄的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)，并從System1中提取機(jī)組的振動(dòng)頻譜和軸心軌跡進(jìn)行分析。

3.1 軸心軌跡呈反向渦動(dòng)

機(jī)組軸心軌跡見圖3，轉(zhuǎn)速為5 060 r/min，振動(dòng)峰峰值約為60 μm。軸心軌跡呈現(xiàn)橢圓形，并出現(xiàn)了明顯的反向渦動(dòng)特征。轉(zhuǎn)子軸心軌跡反向渦動(dòng)是動(dòng)靜件接觸摩擦的征兆[2]。

圖3 前軸承軸心軌跡

3.2 System1振動(dòng)頻譜特征

分析了System1中的振動(dòng)頻譜(見圖4)。橫坐標(biāo)為不同的倍頻，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)頻率下的振動(dòng)幅值。可見振動(dòng)具有明顯的±1倍頻特征：-1倍頻振動(dòng)在總振幅中占60%以上；+1倍頻振動(dòng)占20%以上；其他高頻振動(dòng)振幅很小。

圖4 System1振動(dòng)幅值頻譜

局部摩擦的振動(dòng)信號(hào)具有廣譜特性，低頻振動(dòng)成分和高頻振動(dòng)成分均比較豐富。當(dāng)局部摩擦發(fā)展為大范圍摩擦后，頻譜圖中±1倍頻振動(dòng)分量多占據(jù)主導(dǎo)地位，高倍頻分量較弱。由此判斷機(jī)組內(nèi)部的動(dòng)靜部件已出現(xiàn)大范圍的接觸摩擦。

3.3 振幅隨轉(zhuǎn)速增加

圖5為各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的趨勢(shì)。

圖5 ITCC各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的趨勢(shì)

上圖顯示，各測(cè)點(diǎn)的振幅對(duì)轉(zhuǎn)速具有極好的跟隨性，表明轉(zhuǎn)子的殘余不平衡力與轉(zhuǎn)速成正比[3]。隨轉(zhuǎn)速增加，所有軸承的振幅同時(shí)加大也符合動(dòng)平衡失穩(wěn)的特征[4]。故判斷透平轉(zhuǎn)子已出現(xiàn)質(zhì)量不平衡或彎曲。

從第2次啟動(dòng)，各次試車中同轉(zhuǎn)速、同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅度具有良好重復(fù)性，由此推斷永久性轉(zhuǎn)子不平衡發(fā)生在第1次跳車后至第2次熱態(tài)啟動(dòng)前。

4 開缸檢查汽封、轉(zhuǎn)子

4.1 進(jìn)汽端汽封偏磨

透平軸端汽封為高低齒，動(dòng)靜汽封齒錯(cuò)落布置。開缸后發(fā)現(xiàn)進(jìn)汽側(cè)上靜汽封與轉(zhuǎn)子已發(fā)生嚴(yán)重偏磨(見圖6)。

圖6 上部靜汽封齒磨損

速關(guān)閥側(cè)斜上方45°位置，沿圓周方向有弧長(zhǎng)約100 mm的摩擦帶，密封齒為不銹鋼，硬度較大，轉(zhuǎn)子只有350 kg，抗擾動(dòng)能力弱。動(dòng)靜摩擦?xí)ぐl(fā)轉(zhuǎn)子擺動(dòng)和振動(dòng)。

這與頻譜顯示的±1倍頻主導(dǎo)振動(dòng)和軸心軌跡反向渦動(dòng)特性相吻合。摩擦位置靠近觸發(fā)聯(lián)鎖的探頭位置，故該汽封摩擦是導(dǎo)致透平振動(dòng)跳車的直接原因。為確保再次沖轉(zhuǎn)成功，直接更換了新汽封。

此外，轉(zhuǎn)子汽封在圓周上也有約100 mm的偏磨帶，其他方位未見摩擦，證明轉(zhuǎn)子發(fā)生了固定相位的跳動(dòng)。

4.2 轉(zhuǎn)子表面局部變色

開缸后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子進(jìn)汽段和排汽段材料表面呈現(xiàn)烏藍(lán)色，排汽端尤其明顯(見圖7)。

圖7 轉(zhuǎn)子表面呈現(xiàn)烏藍(lán)色

本機(jī)組的蒸汽溫度約450 ℃，僅沖轉(zhuǎn)數(shù)次即變藍(lán)，說明轉(zhuǎn)子可能在某個(gè)時(shí)間存在急劇降溫，出現(xiàn)了類似“淬火”現(xiàn)象，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因有以下兩種。

(1)試車初期缸內(nèi)積液。高溫蒸汽進(jìn)入缸體時(shí)與常溫的缸體材料存在溫差，部分蒸汽凝結(jié)成水，如果排液不及時(shí)，缸內(nèi)會(huì)積液，液體與轉(zhuǎn)子接觸時(shí)可能發(fā)生“淬火”現(xiàn)象。但經(jīng)過分析，排除了這種可能。首先，開缸后檢查了缸體導(dǎo)淋和靜葉柵低點(diǎn)的貫通排液孔，未見堵塞。缸體導(dǎo)淋一直敞開，試車時(shí)一直排出蒸汽，缸體內(nèi)不會(huì)積液。其次，未發(fā)現(xiàn)缸體流道內(nèi)有水漬或變藍(lán)。第三，若缸內(nèi)積液先發(fā)生在進(jìn)氣端，進(jìn)氣端變藍(lán)程度應(yīng)更明顯，但實(shí)際最嚴(yán)重的變色出現(xiàn)在排汽端。

(2)首次停機(jī)過程中出口放空閥未關(guān)，冷氣竄入。汽輪機(jī)試車時(shí)，背壓排汽未送入蒸汽管網(wǎng)，而是經(jīng)放空閥去廠房外排大氣。首次跳車后至第2次沖轉(zhuǎn)的半小時(shí)間隔，操作人員未關(guān)掉排汽放空閥。缸體內(nèi)蒸汽在冷凝過程中體積劇烈收縮，導(dǎo)致缸體內(nèi)壓力低于環(huán)境壓力，使得室外環(huán)境低溫(0 ℃以下)通過放空管逆向竄至汽輪機(jī)缸體內(nèi)。高溫轉(zhuǎn)子遇見冷空氣，劇烈降溫，出現(xiàn)類似“淬火”現(xiàn)象。冷空氣從排汽管進(jìn)入，先接觸排汽端，與排汽端變色更明顯相吻合。轉(zhuǎn)子局部結(jié)構(gòu)，比如葉片、外圓圍帶等可能會(huì)在“淬火”中發(fā)生變形，使圓周上質(zhì)量分布發(fā)生改變。

綜上所述，轉(zhuǎn)子在急劇冷卻和外部應(yīng)力(管道頂缸、熱膨脹受限等)的共同作用下，發(fā)生不可逆的質(zhì)量分布改變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡失效，進(jìn)而引發(fā)多次振動(dòng)跳車。

5 更換轉(zhuǎn)子及修復(fù)安裝

5.1 更換轉(zhuǎn)子

根據(jù)以上分析更換了備用轉(zhuǎn)子。更換轉(zhuǎn)子后對(duì)機(jī)組重新進(jìn)行找正、對(duì)中，復(fù)測(cè)了所有間隙和安裝數(shù)據(jù)，使之符合產(chǎn)品合格證要求。如汽封間隙0.20～0.30 mm，平衡鼓梳齒密封間隙0.25～0.35 mm。

5.2 軸承座補(bǔ)裝定位銷

為防止汽輪機(jī)下缸體在膨脹或外部應(yīng)力作用下發(fā)生偏移，造成動(dòng)靜件接觸摩擦。在軸承座上補(bǔ)裝了4個(gè)φ20的定位錐銷。通過定位銷把汽輪機(jī)支座與整個(gè)機(jī)組的公用底座定位在一起(見圖8)。

圖8 加裝的定位錐銷

5.3 缸體半圓法蘭處軸向定位銷

機(jī)組下缸體半圓法蘭處通過一組螺栓將缸體與前軸承座連成剛性整體(見圖9)。復(fù)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)汽端瓦窩中心垂直方向跳動(dòng)0.14 mm，水平方向跳動(dòng)約0.02 mm。同時(shí)，圖10中軸承座與缸體承臺(tái)配合處在垂直方向有較大間隙，證明缸體發(fā)生了下沉。

圖9 下缸體半圓法蘭及緊固螺栓

圖10 軸承座與下缸體承臺(tái)的垂直間隙

分析認(rèn)為，在暖機(jī)及試車過程中，螺栓材料受熱膨脹導(dǎo)致其螺栓緊力變小，缸體在自身重力及外力作用下，利用螺栓孔與螺栓之間的間隙而發(fā)生下沉。這將導(dǎo)致上汽封間隙減小，增加上汽封摩擦的風(fēng)險(xiǎn)。

處理方案如下：脫開進(jìn)出口蒸汽法蘭口，用液壓裝置將缸體的下沉進(jìn)行復(fù)位，通過復(fù)測(cè)瓦窩中心跳動(dòng)量，恢復(fù)轉(zhuǎn)子與缸體同心度。此處螺栓在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法更換或加工，故在半圓法蘭的相鄰螺栓之間增加軸向定位錐銷。

6 整改后試車合格

處理完所有問題后再次試車?？肇?fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，額定轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值均在20 μm以內(nèi)。帶壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)振動(dòng)值也都在正常范圍內(nèi),振動(dòng)問題得到解決。

7 返廠修復(fù)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡

事后，將原轉(zhuǎn)子運(yùn)至杭州汽輪集團(tuán)，校驗(yàn)高速動(dòng)平衡，筆者見證了該過程。高速動(dòng)平衡機(jī)上測(cè)試的極坐標(biāo)曲線見圖11。從曲線軌跡可知，動(dòng)平衡的確遭到破壞，驗(yàn)證了前文分析。隨后按ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)中G1.0級(jí)平衡精度重新恢復(fù)了該轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，返回現(xiàn)場(chǎng)或作為機(jī)組的備用轉(zhuǎn)子。

圖11 轉(zhuǎn)子返廠高速動(dòng)平衡曲線

8 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)汽輪機(jī)的振動(dòng)問題、機(jī)組安裝進(jìn)行全面檢查。經(jīng)過分析，認(rèn)為外力作用和冷氣竄入破壞了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，引發(fā)動(dòng)靜件硬接觸，從而導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)過大。經(jīng)過針對(duì)性整改后，機(jī)組振動(dòng)恢復(fù)正常，至今已安全穩(wěn)定運(yùn)行7年。