汽輪機(jī)1瓦軸振波動(dòng)原因分析及處理

中國石油獨(dú)山子石化分公司研究院 黃 雙 中國石油獨(dú)山子石化分公司熱電廠 岳 林

中國石油獨(dú)山子石化分公司儲(chǔ)運(yùn)二部 何新民

某石化企業(yè)自備電站3#汽輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的高壓、單軸、單缸調(diào)整抽汽沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為C50-8.83/1.57，額定功率50MW，額定轉(zhuǎn)速3000RPM，投用時(shí)間為1995年。蒸氣循環(huán)有回?zé)釤o再熱，設(shè)有六段抽汽用于回?zé)徨仩t給水，其中第二段為可調(diào)整工業(yè)抽汽（1.0MPa）外供熱網(wǎng)，其余各段抽汽用于回?zé)徨仩t給水，乏汽排入凝汽器后被凝結(jié)成水，經(jīng)凝結(jié)泵升壓通過低壓加熱器加熱后進(jìn)入高壓除氧器，再經(jīng)給水泵升壓打至高壓加熱器加熱后供給鍋爐。

汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)支撐均采用滑動(dòng)軸承，橢圓瓦，1瓦位于汽輪機(jī)非聯(lián)軸端（進(jìn)汽側(cè)）前軸承箱內(nèi)，臨近汽輪機(jī)高壓端汽封。前軸承箱內(nèi)還有主油泵和超速保安機(jī)構(gòu)，后軸承箱布置于汽輪機(jī)低壓端包含2瓦和盤車機(jī)構(gòu)，前后軸承箱靠近汽輪機(jī)汽缸一側(cè)的軸封均采用梳齒形油檔以控制軸承箱內(nèi)油氣外泄。

1 振動(dòng)現(xiàn)象

該機(jī)組自2018年10月19日開始，汽輪機(jī)各測點(diǎn)軸振出現(xiàn)偶發(fā)性異常波動(dòng)，1瓦波動(dòng)幅值最大，2瓦波動(dòng)較小，發(fā)電機(jī)3瓦、4瓦無波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)長約40min，波動(dòng)后振值大小恢復(fù)正常水平。如圖1所示（藍(lán)色：1Y、橘色：1X、綠色：2X、黑色：2Y，下同）。數(shù)據(jù)來自阿爾斯通開發(fā)的ALSPA Care監(jiān)測診斷平臺(tái)。

圖1 汽輪機(jī)1X、1Y測點(diǎn)軸振長期異常波動(dòng)

波動(dòng)幅值逐漸增大，波動(dòng)頻次有增長趨勢。2019年6月21日12:16，1Y、1X測點(diǎn)軸振振值最高分別為183μm、173μm，穩(wěn)定時(shí)1Y測點(diǎn)約110μm，增大73μm（如圖2所示）。

圖2 汽輪機(jī)1Y、1X測點(diǎn)2019年6月21日軸振振動(dòng)趨勢圖

2 原因分析

2.1 振動(dòng)頻率分析

如圖3所示（從上而下分別為：通頻、1X、2X、0.5X）為汽輪機(jī)1Y測點(diǎn)軸振單測點(diǎn)多特征趨勢圖，主振頻及波動(dòng)頻率均一倍頻。

圖3 汽輪機(jī)1Y測點(diǎn)軸振單測點(diǎn)多特征趨勢圖

如圖4所示（從上而下分別為：2X、1X）為汽輪機(jī)1Y測點(diǎn)軸振相位趨勢圖，1X、2X相位未同步變化。

圖4 汽輪機(jī)1Y測點(diǎn)軸振相位趨勢圖

2.2 軸心軌跡分析

軸心軌跡為正進(jìn)動(dòng)且無進(jìn)動(dòng)變化（如圖5所示），渦動(dòng)軌跡穩(wěn)定。軸振異常波動(dòng)期間，功率、抽氣量、新蒸汽壓力、新蒸汽溫度、推力軸承金屬溫度、徑向軸承金屬溫度基本沒有變化。

圖5 汽輪機(jī)非聯(lián)軸端2019年6月21日12：17：22軸心軌跡圖

2.3 小結(jié)

結(jié)合振動(dòng)頻率、軸心軌跡、殼振、工藝情況，初步認(rèn)為該振動(dòng)為動(dòng)靜碰摩振動(dòng)[1]，且這種摩擦屬于可脫離的早期碰摩[2]。

發(fā)電機(jī)組的動(dòng)靜碰摩故障分為軸向和徑向兩大類。軸向碰摩包括以下三種類型：推力軸承導(dǎo)致的原因，如選型不合適、軸承損壞及軸向力的不平衡，此時(shí)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的軸向推力會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向移動(dòng)超標(biāo)，當(dāng)位移量超過機(jī)組軸向間隙，會(huì)發(fā)生軸向碰摩；運(yùn)行控制導(dǎo)致的原因，如運(yùn)行中因抽汽變化軸向力不平衡致使軸向位移控制不好，受熱變化導(dǎo)致差脹變化；隔板過大變形，因隔板焊接工藝和強(qiáng)度不夠，運(yùn)行過變形過大，超過軸向間隙[3]。按轉(zhuǎn)子摩擦的接觸面情況，轉(zhuǎn)子的徑向碰磨分為全周碰磨和部分碰磨。徑向碰摩因素包括有如下五種類型：

動(dòng)靜間隙過小，一方面現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組為了提高汽輪機(jī)的內(nèi)效率，轉(zhuǎn)子與靜止之間的間隙變小，增大運(yùn)行過程動(dòng)靜碰摩故障的可能性。另一方面，安裝和檢修時(shí)動(dòng)靜間隙調(diào)整的不符合規(guī)定，或者沿周向方向上不均勻時(shí)，機(jī)組在運(yùn)行中也會(huì)出現(xiàn)動(dòng)靜間隙消失而發(fā)生碰摩故障，尤其是汽缸剛性較差，運(yùn)行中容易產(chǎn)生變形的機(jī)組。

轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過大，當(dāng)轉(zhuǎn)軸因發(fā)生彎曲、質(zhì)量不平衡、油膜失穩(wěn)、蒸氣激振、共振等而使振動(dòng)過大超過動(dòng)靜間隙時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)與靜止部件直接接觸、發(fā)生碰磨；轉(zhuǎn)子和軸承的不對(duì)中，因安裝當(dāng)轉(zhuǎn)軸和軸承的對(duì)中狀態(tài)與設(shè)計(jì)值偏差過大，轉(zhuǎn)子發(fā)生傾斜，轉(zhuǎn)軸會(huì)與軸承、油擋、隔板、靜葉、汽封等靜止部件之間因間隙過小而發(fā)生動(dòng)靜碰摩；而非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的翹曲或不對(duì)中故障也可能導(dǎo)致碰摩出現(xiàn)。

缸體和軸承座跑偏、彎曲或者變形。汽缸和軸承座受熱后會(huì)出現(xiàn)跑偏“弓背”或變形的情況；機(jī)組抽真空后缸體也可能會(huì)發(fā)生較大的變形；啟機(jī)過程時(shí)暖機(jī)不足也會(huì)造成缸體變形。這三種情況會(huì)導(dǎo)致汽封和油擋等部位的間隙變小，發(fā)生動(dòng)靜碰摩故障。

基礎(chǔ)不均勻沉降及軸承標(biāo)高過高，當(dāng)出現(xiàn)較大基礎(chǔ)不均勻沉降時(shí)，其支撐的靜止部件因此傾斜，動(dòng)靜間隙變化會(huì)導(dǎo)致碰磨；軸承冷態(tài)安裝軸承標(biāo)高調(diào)整過高或運(yùn)行中標(biāo)高抬高過多，軸承承載增加，可能造成潤滑油膜破裂，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸和滑動(dòng)軸承烏金局部碾刮。

該機(jī)組2016年大修后投運(yùn)正常。正常運(yùn)行兩年后發(fā)生偶發(fā)性軸振波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)，軸位移平穩(wěn)，基本上判斷為徑向碰磨，運(yùn)行中可能發(fā)生徑向碰摩主要有兩類情況[4]：軸承固定油擋與轉(zhuǎn)子碰摩，即積碳式油擋碰摩；端部汽封與隔板汽封和轉(zhuǎn)子碰摩。在機(jī)組長期運(yùn)行后，由于缸體膨脹變形，導(dǎo)致局部間隙變小，在汽流參數(shù)輕微波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸即與端部汽封或隔板汽封發(fā)生間歇性的摩擦。

由于發(fā)生碰磨振動(dòng)的部位主要是1瓦。汽輪機(jī)主蒸汽額定壓力為8.83MPa，額定溫度為540℃，低壓端乏汽排入凝汽器，額定純凝工況排氣壓力5.95kPa，額定抽汽工況排氣壓力3.52kPa，兩個(gè)壓力對(duì)應(yīng)的蒸汽飽和溫度分別為36.1℃、26.7℃，即汽輪機(jī)1瓦所在的前軸承箱臨近的汽輪機(jī)進(jìn)汽機(jī)構(gòu)和高壓端汽封，所以溫度較高，低壓排氣端汽溫很低，前軸承箱外泄油氣在軸封處結(jié)焦積碳引起1瓦碰磨的可能性較高。因此，判斷該機(jī)1瓦軸振異常波動(dòng)主要原因?yàn)椋捌庑孤┑母邷卣羝斐汕拜S承軸封油檔處結(jié)焦，從而導(dǎo)致局部輕微碰摩使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生臨時(shí)性熱彎曲[5]。

3 解決措施

2018年10月19 日，汽輪機(jī)各測點(diǎn)軸振出現(xiàn)偶發(fā)性異常波動(dòng)后，在判斷波動(dòng)原因?yàn)榍拜S承軸封油檔處結(jié)焦，從而導(dǎo)致局部輕微碰摩使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生臨時(shí)性熱彎曲之前，由于存在端部汽封帶液引起轉(zhuǎn)軸臨時(shí)性彎曲造成該部位碰磨，采取調(diào)整汽封蒸汽冷卻器，平穩(wěn)冷卻器真空和液位等。

確定波動(dòng)原因?yàn)榍拜S承軸封油檔處結(jié)焦，從而導(dǎo)致局部輕微碰摩使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生臨時(shí)性熱彎曲之后，采取一系列措施：前軸承箱上部加軸流風(fēng)機(jī)，采用空氣降溫；修整汽輪機(jī)高壓側(cè)汽封外保溫，減少對(duì)前軸承箱軸封處的輻射散熱；在軸封和汽封之間，設(shè)置隔熱板，減少對(duì)前軸承箱軸封處的輻射散熱、前汽封泄漏對(duì)軸封的影響；改造軸封處的梳齒油檔。前三條措施均取得短期效果，但未解決根本問題。

一般情況密封裝置新安裝時(shí)引起的振動(dòng)不明顯，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，不穩(wěn)定振動(dòng)愈來愈顯著，有些機(jī)組還造成了轉(zhuǎn)軸的顯著磨損。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面是密封材料選材不合適，另一方面是在高溫烘烤下，沉積的油垢成為硬度很高的炭化物，這種炭化物在徑向、軸向都會(huì)有沉積，造成徑向間隙消失和軸向卡澀，不僅與轉(zhuǎn)軸碰磨引起顯著振動(dòng)，而且還會(huì)造成轉(zhuǎn)軸磨損。由于油垢不斷沉積和炭化，所以這種碰磨振動(dòng)將持續(xù)存在，除非清理油垢或更換新的浮動(dòng)油擋，碰磨振動(dòng)才會(huì)消除。該機(jī)組梳齒性油檔結(jié)焦由兩個(gè)因素疊加形成，一是前汽封泄漏的高溫蒸汽加熱前軸承箱鄰近端面，二是前軸承箱油氣泄漏。

改造方式是將普通梳齒型油檔為氣密油檔，梳齒不變，在油檔內(nèi)通入壓縮空氣（如圖6所示），壓縮空氣通過梳齒在軸封處向軸承箱內(nèi)外排出，一方面減少前箱向外泄漏油氣，另一方面降低軸封處溫度，從而減少結(jié)焦的產(chǎn)生。

圖6 氣密油檔結(jié)構(gòu)圖

該裝置于2020年4月13日停機(jī)檢修，實(shí)施技術(shù)改造，將普通油檔改造為氣密油檔。檢修時(shí)前軸承箱打開后的軸封結(jié)焦情況驗(yàn)證了這一判斷，結(jié)焦的原因則是汽輪機(jī)鄰近前軸承箱的高壓端汽封實(shí)際密封效果不理想，泄漏的蒸汽溫度較高，加熱前軸承箱鄰近端面，造成泄漏的油氣在軸封油檔處結(jié)焦，隨著結(jié)焦發(fā)展，轉(zhuǎn)軸和結(jié)焦發(fā)生局部碰摩，摩擦發(fā)熱使得轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生臨時(shí)性熱彎曲，臨時(shí)性熱彎曲存在期間1X異常波動(dòng)。

2020年6 月開機(jī)后至2021年4月9日，再未發(fā)生類似異常波動(dòng)。2021年4月9日之后，該機(jī)組作為備用機(jī)組，運(yùn)行斷斷續(xù)續(xù)，較少連續(xù)運(yùn)行，均未再發(fā)生類似異常波動(dòng)。轉(zhuǎn)軸與靜止部件發(fā)生碰磨，由于轉(zhuǎn)軸徑向不均勻受熱，使轉(zhuǎn)軸形成徑向不對(duì)稱溫差引起熱彎曲的振動(dòng)機(jī)理，以及防范措施較為成熟，但是密封裝置引起的振動(dòng)，由于與轉(zhuǎn)軸不直接發(fā)生摩擦，或者雖然摩擦，但本身自帶潤滑和材料很軟，直觀認(rèn)為不會(huì)引起明顯的振動(dòng)，而且這種密封裝置引起的振動(dòng)，帶有較大的隨機(jī)性，即使解體檢查，也不像一般轉(zhuǎn)軸碰磨，可見到明顯的故障點(diǎn)，所以認(rèn)識(shí)和診斷這些密封裝置引起的振動(dòng)，具有較大的難度。

本文根據(jù)振動(dòng)圖譜、軸心軌跡和工藝，分析判斷軸振異常波動(dòng)的原因?yàn)榍捌庑孤┑母邷卣羝斐汕拜S承軸封油檔處結(jié)焦，從而導(dǎo)致局部輕微碰摩使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生臨時(shí)性熱彎曲。實(shí)踐表明，將普通油檔更換改造為氣密油檔的措施合適有效的。