某汽輪機(jī)1瓦振動爬升原因分析及處理

魏曉東 李 峰 吳 韜 張艷紅 胥佳瑞

（1.大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電分公司，河北 張家口 075131；2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100043）

1 機(jī)組概況

某發(fā)電廠2號汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠制造的N300-16.7/537/537型亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)。軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3根轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu)，1、2號軸承為可傾瓦軸承，3、4、5、6號軸承為橢圓軸承，軸系示意圖如圖1所示。2020年以來，2號汽輪機(jī)1瓦振動持續(xù)上漲；2023年3月，A級檢修期間發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子中壓第二級彎曲0.15 mm，為此，結(jié)合機(jī)組運行情況進(jìn)行了分析。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系布置圖

2 振動概況

投產(chǎn)初期，機(jī)組首次揭缸檢查，查汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處軸彎曲0.50 mm。委托主機(jī)廠直軸處理，最終將彎軸值控制在0.03 mm。

2017年7月，機(jī)組第一次A級檢修，查汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處軸彎曲0.085 mm，將高中壓轉(zhuǎn)子返主機(jī)廠進(jìn)行處理，扣缸前復(fù)測該處軸彎曲0.06 mm。返廠對中壓聯(lián)軸器外圓、端面、過橋汽封處進(jìn)行車削處理，中低對輪重新鉸孔。修后升降速過程中，高中壓轉(zhuǎn)子過臨界振動比修前明顯下降很多。

2019年8月，1X、1Y軸振分別為138、95 μm。

2021年2月，1X軸振出現(xiàn)逐漸緩慢上漲趨勢，振動值上漲至170 μm，1Y軸振在90～100 μm。

2021年3月，利用停機(jī)機(jī)會在高壓轉(zhuǎn)子前軸封處加配重488 g，機(jī)組啟動后1X、1Y軸振分別為135、75 μm，且振動數(shù)值較為穩(wěn)定。

2022年2月，1X、1Y軸振分別為160、85 μm。

2022年3月，在1瓦處單側(cè)加重690 g，1X、1Y軸振分別為92、60 μm。

2023年1月，1X、1Y軸振分別為110、69 μm。

1、2瓦振動發(fā)展情況如表1所示。

表1 1、2瓦振動發(fā)展情況

2021—2023年，機(jī)組歷次啟停機(jī)過程中一階臨界轉(zhuǎn)速下1、2瓦振動均偏大且有上漲趨勢，1X振動啟動過臨界時振動由101 μm逐漸升至201 μm，2X振動啟動過臨界時振動由110 μm逐漸爬升至139 μm；1X振動停機(jī)過臨界時振動由148 μm逐漸升至199 μm，2X振動停機(jī)過臨界時振動由86 μm逐漸升至129 μm。機(jī)組部分啟停機(jī)過臨界振動情況如表2所示。

表2 機(jī)組部分啟停機(jī)過臨界振動情況

本次解體后發(fā)現(xiàn)問題如下：

1）高中壓轉(zhuǎn)子彎曲。本次測量轉(zhuǎn)子彎曲最大值0.15 mm，彎曲相位1～7孔，最大彎曲點位于中壓第1級與第2級之間，彎曲值嚴(yán)重超標(biāo)。

2）推力盤工作面瓢偏0.045 mm，非工作面瓢偏0.05 mm，高中壓轉(zhuǎn)子對輪端面瓢偏0.055 mm，均超設(shè)計值。

3）中壓1號隔板套右側(cè)4、5、6號螺栓斷裂，5、6號罩母有明顯磨損變形；左側(cè)4號螺栓斷裂，5號螺栓有明顯貫通裂紋；隔板套左側(cè)定位螺栓變形、磨損嚴(yán)重。具體如圖2所示。

圖2 隔板套、螺栓現(xiàn)場圖

4）中壓1、2級隔板汽封塊損壞，存在汽封齒磨損、斷裂現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 中壓隔板汽封塊現(xiàn)場圖

5）中壓通流軸向間隙超標(biāo)。通流間隙測量中，中壓第1、2、3級軸向間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)，共24個值，偏小1.51～3.95 mm。

6）中壓1號隔板套變形。中壓1號隔板套上半，背弧槽道至隔板套出汽側(cè)加工面距離超標(biāo)，實測值最大334.92 mm（設(shè)計值330 mm），變形量4.92 mm。

7）中壓隔板變形量超標(biāo)。中壓1、2、3級隔板變形量超標(biāo)，相較上次檢修，中壓1級隔板變形量0.60 mm，2級隔板變形量1.28 mm，3級隔板變形量0.98 mm。

3 振動原因分析

由以上振動現(xiàn)象和解體結(jié)果分析可知，該機(jī)組振動存在以下特征：

1）機(jī)組啟動后低負(fù)荷至高負(fù)荷階段1瓦振動變化比較明顯，呈現(xiàn)出振動波動隨機(jī)組負(fù)荷變化的高度相關(guān)性；

2）機(jī)組運行中同等負(fù)荷下1瓦振動總體呈上漲趨勢，2021年3月和2022年3月兩次現(xiàn)場動平衡均有顯著效果，但隨運行時間增長振動仍持續(xù)升高；

3）歷次啟停機(jī)過程中一階臨界轉(zhuǎn)速下1、2瓦振動均有輕微上漲趨勢，且停機(jī)過程振動明顯高于冷態(tài)啟動時振動。

通過分析高中壓轉(zhuǎn)子振動特征和運行中的變化情況，認(rèn)為該機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子存在如下問題：

1）1瓦振動與負(fù)荷有明顯關(guān)聯(lián)，一階臨界轉(zhuǎn)速時停機(jī)過程振動明顯高于冷態(tài)啟動時振動，可能是由于運行中高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲。熱彎曲主要由轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻引起，材質(zhì)不均勻是由轉(zhuǎn)子鍛件內(nèi)部存在氣隙、夾雜、鼓泡等因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)子徑向纖維組織不均勻，使材料的物理特性存在各向異性。對于高中壓轉(zhuǎn)子來說，在機(jī)組升負(fù)荷過程中轉(zhuǎn)子溫度升高產(chǎn)生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲，導(dǎo)致不平衡量增大，表現(xiàn)為升負(fù)荷過程中振動增大，一階臨界轉(zhuǎn)速下停機(jī)過程振動明顯高于冷態(tài)啟動時振動。

2）1瓦振動總體呈上漲趨勢，啟停機(jī)過程中一階臨界轉(zhuǎn)速下1、2瓦振動逐次上漲，重點懷疑高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生永久彎曲。從運行角度分析，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重碰磨、進(jìn)水等故障時，在轉(zhuǎn)軸上會殘留較大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力引起的轉(zhuǎn)軸變形量超出材料的屈服極限時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸發(fā)生永久彎曲；另外，轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力過大，在機(jī)組運行過程中逐漸釋放，殘余應(yīng)力的釋放也會使轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形。從機(jī)組2019年以來歷次啟停機(jī)運行情況看，轉(zhuǎn)子彎曲和變形是逐步發(fā)展的，可排除發(fā)生嚴(yán)重碰磨、進(jìn)水等故障的可能性，結(jié)合該轉(zhuǎn)子于2016年7月檢修期間曾因高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處軸彎曲返廠進(jìn)行車削處理，故判斷可能是因殘余應(yīng)力過大引起永久彎曲[1]。

4 處理情況

對高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行返廠檢查：

1）拆卸主油泵轉(zhuǎn)子，按照工藝流程對主油泵轉(zhuǎn)子做檢查、處理和整定實驗；

2）對轉(zhuǎn)子做外觀目視檢查，準(zhǔn)確記錄較大磕碰、拉毛和損傷情況，對兩端軸徑做磁粉探傷檢查，記錄檢查結(jié)果；

3）按照高中壓轉(zhuǎn)子總圖檢查轉(zhuǎn)子跳動及晃動，檢查各級軸向開檔尺寸，重點對中壓1～3級及對輪進(jìn)行檢查，記錄檢查結(jié)果；

4）以最小量車削去除高點，修復(fù)轉(zhuǎn)子徑向跳動，修復(fù)推力盤及徑向晃動，修后對各處加工部位做PT檢查確認(rèn)無缺陷，記錄修后跳動檢查數(shù)據(jù)及各修復(fù)部位車削量；

5）轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動平衡檢查。

對1號隔板套進(jìn)行外觀檢查、中分面間隙檢查、變形檢查后進(jìn)行返修。

2023年3月28日，機(jī)組A修完成后啟動，高中壓轉(zhuǎn)子軸承振動達(dá)標(biāo)，機(jī)組并網(wǎng)運行中振動數(shù)值穩(wěn)定，如表3所示。

表3 機(jī)組啟動后振動情況單位：μm

5 結(jié)論與建議

1）機(jī)組運行中未發(fā)生超速、超溫超壓、嚴(yán)重碰磨及進(jìn)水等異常工況，轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲可能為金屬殘余應(yīng)力所致，引起振動隨運行時間的延長而持續(xù)增長和一階臨界轉(zhuǎn)速下振動增大[2]。

2）轉(zhuǎn)子材質(zhì)組織不均勻?qū)е罗D(zhuǎn)子高負(fù)荷時產(chǎn)生一定的熱彎曲，引起振動隨負(fù)荷升高而增大，熱態(tài)停機(jī)時一階臨界轉(zhuǎn)速下振動明顯高于冷態(tài)啟動時。

3）轉(zhuǎn)子存在一定的永久彎曲，同時存在一定的熱彎曲，二者疊加導(dǎo)致振動加劇。2016年7月因高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處軸彎曲返廠進(jìn)行處理，而轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力的釋放過程非常緩慢，現(xiàn)場很難確定殘余應(yīng)力是否完全釋放，故處理手段應(yīng)以現(xiàn)場動平衡為主，視振動發(fā)展情況決定是否返廠處理[3]。