蒸汽透平異常振動分析及對策

中國石化中原石油化工有限責任公司 王志強

蒸汽透平在運行中反復出現振動波動現象，利用在線狀態監測系統，結合工藝條件和機組實際運行狀況，分析判斷故障成因，制定相應對策，通過檢修對故障原因進行驗證。

一、概述

中國石化中原石油化工有限責任公司的裂解氣壓縮機組由蒸汽透平（GT201）驅動，機組和測點布置見圖1。透平制造商為意大利FANCANTIERI公司，型號60CEX，其運行參數為：進汽溫度：510℃；進氣壓力：11.9MPa；排氣壓力：13kPa；排氣溫度：150℃；功率：11000kW；額定轉速：7300r/m。

二、故障現象

機組從1996年投用以來，運轉較為穩定，透平振動幅值在10μm左右，從2010年4月開始，透平前后軸承的振動值突然出現較大幅度的波動，且四個測點顯示同步波動（見圖2），幅度為10～40μm，然后回落，變化的過程是一個漸變的過程，沒有急劇的跳躍性的變化，波動持續時間一般為幾十分鐘或幾小時不等，振值波動后可以回到原來的正常值。波動反復出現，有時1天幾次，有時幾天一次，沒有規律，壓縮機側的低、中、高壓缸的振值基本穩定。

圖1 機組測點布置圖

三、故障原因分析

圖2 振動趨勢圖

透平振動頻譜特征比較簡單，正常運行時的振動頻率成分主要是工頻（圖3），其他倍頻幅值極小，而在振動波動時，幅值變化是由工頻幅值變化引起的（圖5、7），其他頻率的振動幅值基本不變，振值變化時工頻相位也相應地持續旋轉變化（圖9），振值恢復正常時相位也基本恢復原位，同時變化過程中軸心軌跡同步放大，重復性較好（圖4、6、8）。

圖3 正常時的全譜圖

圖4 正常時的軸心軌跡

圖5 波動初始的全譜圖

圖6 波動初始的軸心軌跡

初步來看，此故障是一種類似于轉子不平衡的工頻類故障，并且還有一個顯著特點：間歇式、可逆，即故障是不連續的且能自我恢復。機組在運行期間發生此類故障的可能原因如下。

1.蒸汽品質

蒸汽品質的影響主要是因過熱度不夠，蒸汽中夾帶的凝液對轉子產生沖擊，影響平衡，隨著蒸汽流動，凝液被帶出機體，轉子又恢復原狀；當凝液又累積到一定程度時，對轉子再次產生影響，波動也再次出現，如此反復。

該透平驅動蒸汽是由裂解爐汽包產生的12MPa、325℃的飽和蒸汽，經裂解爐對流段過熱器加熱到520℃，成為過熱蒸汽，進入管網輸送到透平。對管網保溫進行檢測，對管線導淋進行排放檢查，均未見異常；在透平入口主氣閥處加裝現場溫度表，監測到的溫度為510℃，同時對比振動波動出現前后蒸汽系統的操作調整和各種參數，均沒有明顯變化，所以，從生產實際情況來看，蒸汽帶液應該不存在。

圖7 振值最大時全譜圖

圖8 振值最大時軸心軌跡

圖9 工頻及相位變化趨勢

2.異物進入

異物進入系統，對轉子的影響與蒸汽帶液接近，并且異物應該是微小的顆粒或柔軟細小的物體，尚未對轉子造成損傷。

但是由于故障是在正常運行期間發生的，蒸汽系統處于封閉的狀態，異物進入的可能性也不大，而且異物能反復進入的可能性就更小了。

3.結垢

因蒸汽中的鈣、鎂等離子控制不好，在轉子表面結垢，在運行過程中，垢類分布不均勻或隨機性脫落，產生不平衡振動。

結垢是個漸進的過程，垢物的隨機脫落會引起振幅的突然變化，符合間歇式的特征，但是，即便是均勻的結垢，在這個過程中振動也是不可能恢復原值，而是逐步增長的，故不具備可逆的特征。因此可以排除結垢的可能性，

4.轉子帶電

透平中的高溫蒸汽在做功過程中，隨著溫度的降低會發生正負電荷分離，同時水蒸氣粒子對轉子葉片的碰撞和摩擦將使轉子產生靜電效應而帶電，當電位積聚高到一定值（30～100V）時，就有可能將軸承上電阻最低處的油膜擊穿而產生電火花放電，這種能量的釋放會導致油膜剛度變化，從而引起振動波動，其特征頻譜與動平衡變化的特征頻譜相似。

針對轉子帶電的這種可能，對機組原有的靜電接地點進行檢查確認，并在機體上增加了兩組靜電接地點，但是振動波動狀況未見改善。

5.臨時性軸彎曲

轉子在運行期間，因熱負荷突變，或者局部摩擦等原因，轉子發生彎曲產生振動，其現象與動平衡破壞的現象相似。

查波動發生前后透平的工藝參數，未見異常，可以排除熱負荷突變造成臨時性熱彎曲的可能。另一種可能的情形是：轉子局部徑向動靜摩擦，摩擦產生的熱效應會使轉軸出現徑向不對稱溫差，進而發生轉子熱彎曲，振動的增大將使相互接觸的部位磨損，動靜間隙增大，摩擦消失后徑向不對稱溫差也很快消失，轉子逐步恢復原狀，振動回到原始狀態。從振動幅值及相位隨時間連續變化的特點來看，轉軸發生了摩擦的可能性極大，圖5顯示的截頭波、圖6顯示的毛刺也符合摩擦特征。雖然未出現較大幅值的倍頻成分，未出現反進動現象，但這些并不能否認摩擦的存在，只能表明摩擦尚不十分嚴重，而且摩擦發生的部位很可能是靠近軸承的油封、軸封等部位與軸頸之間，而非葉輪等部位。

四、應對措施

通過以上的分析、排查，認為波動是由摩擦導致轉子臨時性彎曲而引起的，但在運行期間無法徹底處理此故障。由于該機組在生產流程中地位極其重要，停機處理會對公司總體生產經營產生重大影響。根據機組目前狀況，認為雖然波動反復出現，但總是能自行恢復正常，并且最大振值在40μm左右，因此機組本質上并未有永久性損傷，波動的能量也不大，機組是可以堅持運行的。故將振動的聯鎖值適當提高，并制定了相應的應急預案后，機組在監控下繼續運行。

五、檢修檢查

2011年5月，利用裝置大檢修機會，對透平進行解體檢查，發現：（1）軸承箱隔熱擋板碎掉，油封溝槽內嚴重積炭，軸上有摩擦劃痕。（2）徑向軸瓦表面有摩擦損傷。（3）透平的末兩級動葉片上有薄薄的一層水垢。（4）檢查透平導電碳刷，未見異常。

從檢修情況來看，驗證了此前的判斷：由于隔熱擋板損壞，油封處的潤滑油受高溫影響而碳化，積炭在溝槽內逐步積累，與軸發生碰摩，導致轉子局部熱不平衡，引起轉子彎曲，當積炭磨碎掉后，轉子逐步恢復原狀，振值恢復原值，當積炭又累積碰到轉子后，振值又開始波動，如此反復。而軸瓦的損傷應是振動波動產生的后果，同時，如前分析，結垢不會產生此種狀況的振動，從停機前機組運行狀態來看，雖葉片上有結垢，但尚未對機組運行產生影響。

在檢修中，對轉子進行了全面檢查，從形位尺寸、無損檢測、動平衡校驗等方面看，轉子狀況均較好，對擋板和瓦塊進行更換，清理油封內積炭，同時，利用軸承座上的空間，在油封內開孔接管引入適量氮氣，以期改善此處的高溫環境。機組再次開車后振動間歇性波動消失。

六、結語

目前，各企業積極追求長周期連續生產，對設備運行可靠性的要求也越來越高，設備管理人員應充分利用現代化的監測技術，及時發現和分析判斷設備狀況，做到對設備運行狀態可知甚至可控，為管理決策提供技術支持，為安穩生產保駕護航。

[1]王潛，肖昌漢.旋轉機械中一種新的電腐蝕機理[J].武漢：武漢化工學院學報24(3).

[2]張學延.汽輪發電機組振動診斷（第一版）[M].中國電力出版社，2008，11.