海外電站運(yùn)維項(xiàng)目610MW汽輪機(jī)直軸方案分析

崔文成

（上海電氣電站工程公司，上海 201199）

0 引言

1 轉(zhuǎn)子彎曲概況

某海外電站#6機(jī)組系上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的A158型610 MW亞臨界、中間一次再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，其高中壓轉(zhuǎn)子側(cè)視圖如圖1所示。該機(jī)組自2015年投運(yùn)，經(jīng)多年運(yùn)行偏心值逐漸從20 μm增大至100 μm以上，最大值達(dá)120 μm（偏心監(jiān)測器位于汽輪機(jī)調(diào)閥端小軸端部中心線的頂端，其度數(shù)也就是偏心值可以反映轉(zhuǎn)子彎曲的程度），轉(zhuǎn)子彎曲程度逐漸惡化。2019年對高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行開缸檢查并測量其彎曲度，彎曲圖如圖2所示。

圖1 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子側(cè)視圖

圖2 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子彎曲圖

由于轉(zhuǎn)子彎曲，該汽輪機(jī)在啟動或帶負(fù)荷運(yùn)行過程中1瓦振動超標(biāo)，尤其是在過臨界轉(zhuǎn)速時振動嚴(yán)重超限。在2022年的一次熱態(tài)啟動中，轉(zhuǎn)速1 618 r/min時，機(jī)組振動最大：1瓦X向：462 μm；1瓦Y向：337 μm；1瓦復(fù)合振：295 μm。在滿負(fù)荷運(yùn)行時，1瓦振動常在200 μm左右。針對#6機(jī)組1瓦在過臨界轉(zhuǎn)速時振動大的情況，運(yùn)行人員需要在沖轉(zhuǎn)過程中將振動保護(hù)定值放大至460 μm，才能保證機(jī)組順利啟動，這給機(jī)組運(yùn)行帶來了非常大的風(fēng)險和隱患。

2 大軸彎曲機(jī)理及直軸方法

2.1 大軸彎曲機(jī)理

大軸彎曲可以分為熱彈性彎曲和永久性彎曲。

熱彈性彎曲是指轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度分布不均勻，轉(zhuǎn)子受熱膨脹所造成的彎曲。這時溫度高的一側(cè)與溫度低的一側(cè)相互作用而產(chǎn)生應(yīng)力，由于此時應(yīng)力一般未超過轉(zhuǎn)子材料的屈服極限，因而當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后，這種熱彎曲會自然消失[3]。

永久性彎曲是指當(dāng)轉(zhuǎn)子局部受到急劇加熱時，該區(qū)域與其他部位產(chǎn)生很大的溫度偏差，受熱部位熱膨脹，產(chǎn)生較大應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過轉(zhuǎn)子材料的屈服極限時，轉(zhuǎn)子局部便產(chǎn)生壓塑性變形。當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后，該部位會有殘余應(yīng)力，塑性變形不會消失，從而造成轉(zhuǎn)子的永久彎曲[4]。

一根材質(zhì)均勻的轉(zhuǎn)子之所以彎曲，是由于某種不均勻因素的存在，當(dāng)這種不均勻在轉(zhuǎn)子橫截面呈不對稱的狀態(tài)（溫度不對稱、受力不對稱）時，才可能使轉(zhuǎn)子彎曲。

2.2 直軸方法

根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲的機(jī)理，可以采用的直軸方法主要有下列5種：

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（1）機(jī)械加壓法。該方法是通過外加機(jī)械力下壓彎曲轉(zhuǎn)子的凸面并對彎曲轉(zhuǎn)子凹面進(jìn)行捻打來直軸。

（2）捻打法。采用該方法需要注意下面幾點(diǎn)：一是捻打范圍不超過圓周的1/3，二是不能用力過度，三是按軸對稱位置交替捻打，四是注意中間位置捻打次數(shù)應(yīng)高于兩側(cè)捻打次數(shù)。

（3）局部加熱法。通過在大軸凸面局部加熱冷卻產(chǎn)生的拉應(yīng)力使其恢復(fù)。

（4）局部加熱加壓法。對大軸凸面先施加外力，再采用方法（3）來直軸。

（5）應(yīng)力松弛法。利用金屬材料在高溫下應(yīng)力會逐漸降低這一原理，把軸最大彎曲部位的整個圓周加熱到軸材料回火溫度以下，接著在凸點(diǎn)施加低于屈服點(diǎn)的壓力，使軸產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)應(yīng)力在高溫下逐漸降低時，彈性變形部分轉(zhuǎn)變成塑性變形，從而消除彎曲[5]。

2.3 現(xiàn)場直軸思路

總結(jié)2.1節(jié)和2.2節(jié)所述彎曲機(jī)理和直軸方案可以得出，轉(zhuǎn)子彎曲或恢復(fù)均是通過作用在轉(zhuǎn)子上的溫差以及在轉(zhuǎn)子的徑向施加力而發(fā)生。本文利用停盤車時轉(zhuǎn)子自身存在的兩種力——轉(zhuǎn)子自身重力及因上下缸溫度存在偏差而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，嘗試對#6機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行直軸工作。

2.3.1 利用溫度不對稱

轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下上下部溫度不同，因而產(chǎn)生撓曲。一般情況下，停機(jī)后高中壓缸上部溫度較高，會使靜止的轉(zhuǎn)子向上弓彎，如圖3所示。

圖3 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子因溫度差向上弓彎

2.3.2 自身重力

轉(zhuǎn)子自身的重力會在轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生向下的剪切力，使轉(zhuǎn)子向下彎曲，如圖4所示。

圖4 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子因重力向下弓彎

3 直軸實(shí)施過程

3.1 重力直軸

2022年9月26日，#6機(jī)組進(jìn)入為期1個月的年度檢修，停機(jī)后偏心值90 μm。此次在調(diào)節(jié)級溫度為120 ℃時停盤車，考慮到此次機(jī)組停機(jī)時間較長，上下缸溫度存在偏差而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力可忽略（當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后這種熱彎曲會自然消失），所以可以認(rèn)為此次直軸僅自身重力起作用。

在汽輪機(jī)小軸端部上方架設(shè)百分表，盤動轉(zhuǎn)子的同時讀取百分表讀數(shù)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到向上弓彎的位置停盤車（百分表讀數(shù)最大處）。經(jīng)過38天的重力直軸，11月2日啟動后的1瓦振動情況與前兩次機(jī)組啟動后的數(shù)據(jù)對比如表1所示。

由表1中數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：

表1 過臨界振動對比

（1）機(jī)組啟動前偏心值越大（轉(zhuǎn)子越彎曲），1瓦在通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時振動值越大；

（2）通過將轉(zhuǎn)子停止在向上弓彎的位置來進(jìn)行直軸，一定程度上有減少轉(zhuǎn)子彎曲程度的效果。

3.2 溫差直軸

2022年8月16日，#6機(jī)組1瓦因溫度異常需要進(jìn)行翻瓦檢查，由于工期緊張，決定在調(diào)節(jié)級溫度為170 ℃時提前停盤車進(jìn)行檢修。此時轉(zhuǎn)子存在上下溫差，溫差及重力同時對轉(zhuǎn)子的彎曲起作用，但作用相反，在不確定哪個因素起主要作用時，現(xiàn)場暫將此次轉(zhuǎn)子停止于向上弓彎的位置。8月17日檢修結(jié)束，投入盤車后的偏心值如表2所示。

表2 偏心值變化

通過表2可知，8月18日再次啟動盤車時，偏心值最初顯示為140 μm，較停盤車前的87 μm大。此次直軸過程說明，由上下缸溫度存在偏差而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力較自身重力而言起到了主要作用。因此，在調(diào)節(jié)級溫度較高時，應(yīng)將轉(zhuǎn)子停在向下弓彎位置才能達(dá)到直軸效果。

4 結(jié)論

通過這兩次現(xiàn)場直軸的嘗試可得出如下結(jié)論：

（1）在調(diào)節(jié)級溫度較高時，上下缸溫度存在偏差而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力在使轉(zhuǎn)子弓彎上起主要作用。因此，若機(jī)組在調(diào)節(jié)級溫度較高且需要短暫停盤車時，應(yīng)將轉(zhuǎn)子停止在向下弓彎的最大處，對彎曲轉(zhuǎn)子會起到一定的直軸效果。

（2）在調(diào)節(jié)級溫度不高時，轉(zhuǎn)子自身重力在轉(zhuǎn)子徑向上起主要作用。因此，在轉(zhuǎn)子長時間停止時，應(yīng)將轉(zhuǎn)子停在向上弓彎的最大處，對彎曲轉(zhuǎn)子會起到一定的直軸效果。

（3）由上述兩種方式對轉(zhuǎn)子施加的應(yīng)力是不會超過屈服極限的，所產(chǎn)生的也只是塑性變形，在轉(zhuǎn)子運(yùn)行一段時間后塑性變形會消失，因此，文中的“直軸”方式不能徹底解決現(xiàn)場轉(zhuǎn)子大軸彎曲的問題。通過選擇最佳停盤車位置，只能在機(jī)組啟動前將已彎曲的轉(zhuǎn)子向更好的狀態(tài)調(diào)整，以便能夠以較小的振動值通過臨界轉(zhuǎn)速。