火力發(fā)電廠汽輪機異常振動原因及解決措施研究

朱強強

（國能（泉州）熱電有限公司，泉州 362804）

1 汽輪機振動的相關概述

1.1 汽輪機振動的概念

汽輪機振動指汽輪機的軸承等零件偏離其固定位置，導致機器內部產(chǎn)生的勢能與動能不平衡而引起的無效運動。汽輪機振動過大會影響機油系統(tǒng)和冷凝器的正常運作，嚴重時會損壞轉子，甚至會誘發(fā)火災等安全事故。汽輪機的異常振動程度可以從相位、頻率、方向以及振幅等方面進行描述[1]。

1.2 汽輪機振動的危害

隨著加工技術的發(fā)展和生產(chǎn)要求的提高，市場對設備內部零件精度的要求越來越嚴格。對于機械設備來說，內部零件的運行狀態(tài)關系整個設備的運作。運行狀態(tài)能夠反映設備是否存在故障，若某個零部件存在異常，則可能會引發(fā)一系列設備故障。因此，觀察機器的振動情況是檢查設備是否正常運行的一種手段。

根據(jù)既往經(jīng)驗，汽輪機振動的危害集中體現(xiàn)在4 個方面。第一，異常振動會降低汽輪機的加熱性能。汽輪機的加熱性能與其蒸汽的產(chǎn)出體積相關，一旦汽輪機發(fā)生振動，可能增大汽輪機的氣封間隙，從而影響其蒸汽產(chǎn)出體積，降低加熱性能。第二，汽輪機異常振動會損壞動靜部件和支撐部件。汽輪機的異常振動會使得動、靜部件之間產(chǎn)生摩擦，導致軸端密封件、葉片、車輪等出現(xiàn)磨損，嚴重時甚至會使軸發(fā)生斷裂。第三，異常振動會縮短連接組件的使用壽命。汽輪機異常振動會引起軸承、主油泵及其他部位的共振，使連接螺釘松動、基礎螺栓破裂，進而導致機組癱瘓。第四，異常振動會引發(fā)系統(tǒng)多類故障。汽輪機振動異常會導致系統(tǒng)出現(xiàn)各方面故障問題，如調速系統(tǒng)故障、設備連接異常等，影響整個系統(tǒng)的正常運行[2]。

2 汽輪機異常振動原因分析

2.1 轉子與靜子之間的碰摩

汽輪機轉子與靜子之間的碰摩會引起異常振動，主要原因是質量不平衡、轉子彎曲或軸系失穩(wěn)等。當振動幅度超過動靜間隙值時，轉子可能與靜止部位發(fā)生碰摩。而動靜間隙過小或消失，通?？赡苡缮舷赂诇夭钸^大、汽缸與法蘭溫差過大、軸瓦烏金磨損或燒瓦、安裝或檢修時軸封間隙調整不當、汽缸膨脹偏斜、汽封殼體變形、汽輪機相對脹差過大、主蒸汽管道及各抽汽管道進水、軸承箱出現(xiàn)嚴重卡澀等導致。這些因素可能導致軸向通流間隙減小，從而使轉子與靜子發(fā)生碰摩。此外，如果零件出現(xiàn)老化、磨損等情況，則轉子在高速運轉中也可能出現(xiàn)偏移。這種偏移嚴重時會導致轉子與靜子產(chǎn)生碰摩。轉子與靜子間碰摩受力，如圖1 所示。

圖1 轉子與靜子間碰摩受力圖

摩擦切向力Fn和法向力Ft可表示為

式中：z為轉子位移；δ為轉子與靜子間的距離；Kc為靜子剛度；f為兩者之間的動摩擦系數(shù)。

根據(jù)轉子中心在x軸與y軸上的偏移量求出z，即

坐標系中，F(xiàn)n與Ft的關系可以表示為

由于sinα=y/z和cosα=x/z，則有

2.2 轉子質量不均衡

80%的汽輪機振動故障是由汽輪機轉子質量不平衡引起的。這種不平衡通常會導致質量中心與圓心發(fā)生偏移，從而使轉子轉動產(chǎn)生的離心力發(fā)生周期性變化，進而引發(fā)一種周期性振動。設F為離心力，其與轉子旋轉角速度w、偏心距離e、轉子偏心質量m的關系可以表示為

轉子質量不平衡的原因較為復雜。原始不平衡、轉動中出現(xiàn)部件飛脫或松動、轉子發(fā)生熱彎曲等情況，都可能導致其出現(xiàn)質量不平衡問題。其中，原始不平衡是最常見的誘因，是加工制造或者部件更換過程中存在的問題。這種不平衡引發(fā)的振動通常較為穩(wěn)定，不會過多受機組參數(shù)和啟動方式的影響，也不存在與升速或帶負荷的時間延續(xù)方面的直接關聯(lián)。

2.3 相鄰轉子之間發(fā)生偏移

相鄰轉子之間發(fā)生偏移會導致轉子不對中，而偏移情況的不同導致其可能存在平行不對中、角度不對中、組合不對中3 種情況，如圖2 所示。

圖2 相鄰轉子之間發(fā)生偏移的3 種情況

2.4 轉子裂紋

轉子裂紋會導致轉子在低速下的晃度增大。這種變化可以從兩方面進行比較，分別為與以往晃度的比較和停機時的晃度與啟動時的晃度比較。在進行這種比較時，最好用晃度的轉頻值（1×的幅值和相位）比較，通過相位判斷彎曲的方向。轉子裂紋會增大轉子的振動。這種變化可以從工作轉速的振動和臨界轉速的振動兩方面進行比較。轉子裂紋引起的振動變化在經(jīng)過一階臨界轉速時的表現(xiàn)更明顯。此外，轉子裂紋會由于轉子剛度不對稱引起2×振動。轉子存在裂紋時，視其撓度方向使橫向裂紋張開（受拉力情況）或閉合（受壓力情況）。轉軸在裂紋張開時剛度小，閉合時剛度大，使轉子的剛度呈現(xiàn)非線性，出現(xiàn)高次諧波（2×、3×、4×…）振動，表現(xiàn)為振動隨負荷而增大。

轉子裂紋的產(chǎn)生原因主要包括交變應力和應力集中。交變應力可以使材料疲勞斷裂，轉子上存在2 種類型的交變應力，分別為橫向振動引起的彎曲變形使轉子出現(xiàn)應力和正常運轉時旋轉機械的轉子產(chǎn)生穩(wěn)定的扭轉應力。但是，在故障狀態(tài)（甩負荷、短路、非同步并網(wǎng)等），轉子將產(chǎn)生交變扭矩，從而出現(xiàn)交變的剪切應力。應力集中經(jīng)常發(fā)生在轉子被削弱的地方，如軸的階梯部位、鍵槽、孔（葉輪的平衡孔、轉子內孔）、螺紋以及裝配處的間隙等。所有緊固在轉子上的零件在緊固表面會形成一個潛在的應力集中區(qū)域。

3 火力發(fā)電廠汽輪機異常振動的診斷與解決措施

3.1 轉子與靜子之間碰摩的診斷與解決

汽輪機轉子與靜子之間的碰摩引起的異常振動，可以通過8 種方法進行診斷和處理。第一，觀察振動波形和頻譜。異常振動通常表現(xiàn)為在頻譜中出現(xiàn)高頻分量，波形出現(xiàn)“削頂”現(xiàn)象。通過觀察振動波形和頻譜，可以初步判斷是否存在碰摩。第二，分析振動特征。碰摩引起的振動特征包括振動幅值隨轉速升高而增大、振動相位隨轉速升高而變化以及振動頻率與轉子固有頻率相近等。分析振動特征，可以進一步判斷是否存在碰摩。第三，檢查動靜間隙。檢查動靜間隙的大小，可以判斷是否存在間隙過小或消失的情況。如果發(fā)現(xiàn)間隙過小或消失，需要及時采取措施進行調整。第四，檢查轉軸振動。檢查轉軸的振動情況，可以判斷是否存在質量不平衡、轉子彎曲或軸系失穩(wěn)等問題。如果發(fā)現(xiàn)轉軸振動過大，需要及時采取措施進行處理。第五，檢查軸承箱。檢查軸承箱的工作情況，可以判斷是否存在軸承磨損、燒瓦等問題。如果發(fā)現(xiàn)軸承箱存在異常，需要及時采取措施進行處理。第六，調整軸封間隙。如果發(fā)現(xiàn)軸封間隙過小或消失，可以調整軸封間隙來解決問題。調整軸封間隙時需要注意不要過大或過小，以免影響轉子的正常工作。第七，控制溫差。如果發(fā)現(xiàn)溫差過大，可以控制溫差來解決問題?？刂茰夭顣r不要過度冷卻或加熱，以免影響系統(tǒng)的正常工作。第八，加強軸承箱維護。加強軸承箱的維護工作，可以減少軸承磨損、燒瓦等問題的發(fā)生。加強軸承箱維護時要注意定期更換潤滑油、清洗軸承等[3-5]。

3.2 轉子質量不均衡的診斷與解決

針對汽輪機轉子質量不均衡問題，實踐中需要及時診斷、及時處理。第一，觀察振動特征。質量不均衡引起的振動特征包括振動穩(wěn)定、振幅和相位受機組參數(shù)影響不大、與升速或帶負荷的時間延續(xù)沒有直接關聯(lián)、不受啟動方式的影響等。觀察振動特征，可以初步判斷是否存在質量不平衡問題。第二，進行動平衡試驗。進行動平衡試驗，可以確定轉子是否存在質量不平衡問題，并找出不平衡量的位置和大小。在進行動平衡試驗時，需要注意選擇合適的平衡轉速和平衡方法，以保證試驗結果的準確性。第三，檢查轉動部件。檢查轉動部件的工作情況，可以判斷是否存在部件飛脫或松動等問題。如果發(fā)現(xiàn)轉動部件存在問題，需要及時采取措施進行處理。第四，檢查轉子熱彎曲。檢查轉子的熱彎曲情況，可以判斷是否存在由于熱彎曲引起的質量不平衡問題。如果發(fā)現(xiàn)轉子存在熱彎曲問題，需要及時采取措施進行處理。第五，控制轉動部件的飛脫和松動。采取加固措施、更換損壞部件等方法，可以控制轉動部件的飛脫和松動。第六，提高制造和檢修質量。在制造和檢修過程中，需要加強對轉動部件的檢查和檢測，確保其工作正常。

3.3 相鄰間轉子偏移的診斷與解決

相鄰間轉子偏移導致的轉子不對中，在實踐中可通過觀察振動特征、進行對中檢查、分析頻譜特征等方式進行診斷。其中：觀察振動幅值、頻率、相位等振動特征，可以初步判斷是否存在轉子不對中問題；檢查對中轉子的軸線和軸承、聯(lián)軸器等部件的位置，可以確定是否存在不對中問題；采用頻譜分析儀分析振動信號，可以確定不對中引起的振動頻率和幅值，從而判斷是否存在轉子不對中問題。

該問題的日常預防和解決方法主要有4 個方面。第一，調整軸承和聯(lián)軸器等部件的位置。通過調整軸承和聯(lián)軸器等部件的位置，可以使轉子的軸線與軸承、聯(lián)軸器等部件的中心線重合，從而消除不對中問題。日常調整時，可以采用千分表等工具進行檢測和調整。第二，更換軸承和聯(lián)軸器等部件。如果軸承和聯(lián)軸器等部件磨損嚴重或損壞，需要更換新的部件，但需要注意確保新部件的尺寸和精度符合要求，以免出現(xiàn)新的不對中問題。第三，加強基礎支撐?；A支撐不牢固或沉降不均，會導致轉子不對中問題。因此，實踐中可以采用加固基礎、更換支撐部件等方法來加強基礎支撐。第四，采用柔性聯(lián)軸器。柔性聯(lián)軸器可以補償一定的不對中量，從而減輕不對中問題引起的振動和磨損等問題。實踐中可以選擇合適型號和規(guī)格的柔性聯(lián)軸器，確保其補償能力符合要求。

3.4 轉子裂紋的診斷與解決

轉子裂紋通常會使轉子的剛度下降，導致整體剛度不對稱。而在轉子實際轉速達到臨界轉速時，會呈現(xiàn)出以2×振動為主的振動模式。具體特征如圖3所示。

圖3 轉子裂紋特征

對于轉子裂紋的處理，應根據(jù)裂紋的不同情況采用不同的措施。對于轉子外表面發(fā)生的微小裂紋，可以采用打磨處理。當裂紋深度小于0.5 mm 時，可以直接用砂布打磨；當裂紋深度為0.5 ～3.0 mm 時，可用砂布打磨后再用拋光機拋光。對于較大的裂紋，可以采用補焊的方法進行處理。補焊時應采用與轉子材料相同的焊條，并按照相應的焊接工藝進行操作。補焊后應進行熱處理，以消除焊接應力。如果轉子裂紋比較嚴重無法采用補焊的方法進行處理，可以考慮更換轉子。更換轉子時需要注意新轉子的材料、尺寸和精度等參數(shù)與原轉子相同。

4 結語

汽輪機異常故障振動存在較大危害，所以必須了解其異常振動的原因，以便采取有效的診斷和解決措施。隨著自動化控制技術的發(fā)展，該技術為汽輪機的異常振動診斷帶來了新的思路?；痣姀S要進一步加大對汽輪機異常振動診斷研究的投入，縮短異常處理時間，避免二次故障。為了提高振動診斷的正確率，企業(yè)要加強技術人員培訓，升級檢測設備。