供熱汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子彎軸事故的分析及處理

谷志德，李恒海，王宏偉

（1. 甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730050；2. 華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

前言

某廠一臺 50MW 供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由高、低壓轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及 5個支持軸承組成。高、低壓轉(zhuǎn)子采用三支撐方式，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為兩軸承支撐，轉(zhuǎn)子之間均為剛性連接。該機(jī)組軸系支承示意圖如圖 1。在一次大修結(jié)束后的冷態(tài)開機(jī)過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生了動靜碰摩。機(jī)組停機(jī)冷卻后揭缸測量，高壓轉(zhuǎn)子最大彎曲達(dá)到了0.13mm。通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為主要是由于高壓缸上、下缸溫差過大造成了動靜碰摩，進(jìn)而發(fā)展為轉(zhuǎn)軸彎曲。現(xiàn)場進(jìn)行了高壓轉(zhuǎn)子直軸處理、高低壓轉(zhuǎn)子低速動平衡及高壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面瓢偏修復(fù)。各項工作結(jié)束后，機(jī)組起動過程及帶負(fù)荷工況下，各軸承振動值達(dá)到了優(yōu)秀水平。

圖1 機(jī)組軸系支承示意圖

1 事故過程

該機(jī)組在一次大修結(jié)束后的冷態(tài)開機(jī)過程中，在暖機(jī)轉(zhuǎn)速時，機(jī)組各軸承振動均在 30μm 以內(nèi)；通過臨界轉(zhuǎn)速時，高、低壓轉(zhuǎn)子1號、2號、3號軸承振動分別達(dá)到 55μm、120μm、140μm。通過臨界轉(zhuǎn)速后，各軸承振動下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至 2500r/min后，1號、2號軸承振動再次快速上升，升速至 3000r/m定速時，高壓轉(zhuǎn)子 2號軸承振動達(dá)到 90μm。升速過程中, 機(jī)組高壓缸上、下缸溫差由中速暖機(jī)時的 33℃逐漸上升至80℃。定速十分鐘后，2號軸承振動降至 40μm，開始進(jìn)行電氣試驗。隨著電氣試驗的進(jìn)行，高壓缸上、下缸溫差繼續(xù)上升至 85℃，2號軸承振動最大上升至140μm 且有繼續(xù)上升的趨勢。運(yùn)行人員緊急打閘停機(jī)。停機(jī)過程中，2號軸承振動最大達(dá)到400μm。

2 轉(zhuǎn)子測量和檢查情況

機(jī)組停機(jī)冷卻后揭缸檢查高、低壓轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子前軸封第二組處有明顯的摩擦痕跡，轉(zhuǎn)子宏觀檢查未見明顯損傷，摩擦部位表面無裂紋，經(jīng)用HL—D型硬度測試儀測量，布氏硬度為195～235，與未摩擦部位相比沒有明顯變化。

測量前首先在高壓轉(zhuǎn)子靠背輪處作了永久性等分記號，將轉(zhuǎn)子圓周方向8等分。按照轉(zhuǎn)子軸向布置6～8塊千分表測量，測量位置事先用砂紙打磨光潔，保證測量的準(zhǔn)確性。同時在推力盤處水平對稱布置兩塊千分表，用于校核轉(zhuǎn)子彎曲數(shù)值和方向。各表計經(jīng)檢查、確認(rèn)完好。裝好之后，盤動轉(zhuǎn)子檢查，每轉(zhuǎn)一圈表針都能回到起始點后開始測量。為了檢驗測量數(shù)據(jù)的可靠性，對高壓轉(zhuǎn)子以上位置進(jìn)行了第二次測量，測量數(shù)值與第一次測量數(shù)值基本一致。高壓轉(zhuǎn)子彎曲測量示意圖見圖2，轉(zhuǎn)子彎曲測量數(shù)據(jù)見表1。

圖2 高壓轉(zhuǎn)子彎曲測量示意圖

表1 高壓轉(zhuǎn)子彎曲測量數(shù)據(jù) （單位：mm）

通過表1可以看出，高壓轉(zhuǎn)子前軸封第二組處（千分表4）位置彎曲值最大，達(dá)到了0.13mm，高點位置為A點位置。通過推力盤位置的兩塊表數(shù)值確認(rèn)推力盤瓢偏絕對值也為0.13mm。測量高壓聯(lián)軸器端面瓢偏絕對值為0.14mm。

對低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行測量后確認(rèn)無彎曲情況。

3 事故原因分析

為分析事故原因，對相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組冷態(tài)啟動過程中出現(xiàn)的主要參數(shù)異常現(xiàn)象是高壓缸上、下缸壁溫差超限值。

文獻(xiàn)資料[1, 2]表明，當(dāng)上、下缸壁溫差過大時，會發(fā)生動靜之間的碰摩，引起轉(zhuǎn)軸彎曲。

一般情況下，高壓缸上、下缸壁溫存在差別，造成了上、下汽缸的膨脹程度不同。上、下汽缸的溫差越大，膨脹差異程度就越大。當(dāng)上、下缸壁溫差較大時，就會造成汽缸彎曲，使汽封間隙減小。若上、下缸壁溫差繼續(xù)增大甚至超限時，汽封間隙就會進(jìn)一步減小或消失，引起動靜碰摩。在轉(zhuǎn)軸與汽缸靜止部分發(fā)生碰摩時，由于相對摩擦的作用，碰摩部位的局部溫度很高，并且溫度上升也很快，轉(zhuǎn)子上以碰摩部位為中心的區(qū)域溫度梯度很大，局部材料受熱膨脹，產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力。在碰摩快速發(fā)展過程中，當(dāng)熱應(yīng)力超過該溫度下的材料屈服強(qiáng)度極限時，會使轉(zhuǎn)軸表面材料組織發(fā)生壓縮性塑性變形，溫度均勻之后，使得轉(zhuǎn)軸呈現(xiàn)向碰摩部位一側(cè)的永久彎曲[3]。

該機(jī)組冷態(tài)啟動升速過臨界時，2號、3號軸承振動超過規(guī)定值，本應(yīng)停機(jī)處理，但運(yùn)行人員卻強(qiáng)行通過，強(qiáng)烈的振動可能已使轉(zhuǎn)子與汽缸間發(fā)生徑向碰摩。隨著轉(zhuǎn)速的升高，高壓缸上、下缸壁溫差也逐漸增大，運(yùn)行人員未設(shè)法解決上、下缸壁溫差大的問題，仍繼續(xù)提高機(jī)組轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致上、下缸壁溫差超出設(shè)計限值很多，增大了發(fā)生動靜碰摩的機(jī)率。當(dāng)機(jī)組定速后，2號軸承振動波動幅度達(dá)50μm，機(jī)組已發(fā)生明顯的碰摩，此時上、下缸壁溫差超出限值30℃，卻仍堅持運(yùn)行；之后的一段時間，2號軸承振動快速上升，表明動靜碰摩已經(jīng)進(jìn)入中期階段；在緊急停機(jī)通過臨界時，2號軸承發(fā)生強(qiáng)烈振動，進(jìn)一步加劇了動靜碰摩，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸彎曲。

4 事故處理措施

4.1 轉(zhuǎn)子校直處理

根據(jù)我們的經(jīng)驗，當(dāng)轉(zhuǎn)子永久彎曲大于 0.06m時，僅采用動平衡的方法不僅難以完全抵消彎曲對振動的影響，還會影響動靜間隙的調(diào)整。因此，應(yīng)先用校直的辦法對彎曲轉(zhuǎn)子進(jìn)行處理。

受搶修工期影響，此次轉(zhuǎn)子校直工作在檢修現(xiàn)場進(jìn)行。由于高壓轉(zhuǎn)子彎曲值相對較小，轉(zhuǎn)子直徑相對較細(xì)，結(jié)合轉(zhuǎn)子材質(zhì)，決定采用局部加熱法對轉(zhuǎn)子進(jìn)行校直。在軸的彎曲高點局部急劇加熱，加熱部位金屬纖維將隨溫度升高而膨脹，但受到四周冷金屬纖維的阻止，使加熱部位金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力，在一定溫度下，此應(yīng)力超過金屬屈服點，在金屬內(nèi)產(chǎn)生殘余變形，冷卻后向原彎曲部位的相反方向彎曲，使彎曲高點消失[4]。

轉(zhuǎn)子校直時，燒口局部加熱溫度約 650℃，加熱結(jié)束后先保溫一定時間后，然后再自然降溫，待轉(zhuǎn)子完全冷卻后在汽缸內(nèi)再次進(jìn)行了轉(zhuǎn)子彎曲值的測量（測點位置與直軸前一致），測量結(jié)果見表2。由表2可以看出，轉(zhuǎn)子校直后原彎曲位置（千分表4）彎曲值由原來的 0.13mm下降至 0.035mm，能夠滿足機(jī)組正常運(yùn)行要求。復(fù)測高壓聯(lián)軸器端面瓢偏為 0.12 mm。由于轉(zhuǎn)子彎曲狀況改善后，與校直前相比基本沒有發(fā)生變化。這表明，高壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面瓢偏不是由于轉(zhuǎn)子彎曲造成的，而是聯(lián)軸器自身的原因。

表2 轉(zhuǎn)子校直后彎曲測量數(shù)據(jù) （單位：mm）

4.2 轉(zhuǎn)子低速動平衡

考慮到高壓轉(zhuǎn)子經(jīng)轉(zhuǎn)子校直后仍可能殘存較大的不平衡質(zhì)量，此次啟動過程中低壓轉(zhuǎn)子過臨界及工作轉(zhuǎn)速下的振動也較大，決定在現(xiàn)場對高、低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動平衡。

低速動平衡裝置為膠皮墊式彈性低速動平衡臺，脫扣裝置為電機(jī)停運(yùn)自動脫扣。轉(zhuǎn)子止推裝置為稀油潤滑[6]。拖動方式為變頻電機(jī)拖動。轉(zhuǎn)子惰走過程中的測振采用兩面軸承頂絲全松方式。

此次采用的變頻電機(jī)拖動方式與以往的交流電機(jī)拖動方式相比，優(yōu)點是可以選取多階平衡轉(zhuǎn)速，缺點是起動轉(zhuǎn)矩較小，啟動時需借助外力助推轉(zhuǎn)子。

為了提高低速動平衡精度，兩根轉(zhuǎn)子的動平衡均采用測相法[7]。測振傳感器為美國本特利公司生產(chǎn)8mm電渦流傳感器，測取轉(zhuǎn)子兩個軸承處的的軸振；測相采用光電傳感器。

為降低高、低壓轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速及工作轉(zhuǎn)速下可能存在的質(zhì)量不平衡，此次低速動平衡分別進(jìn)行了兩個轉(zhuǎn)子的一階、二階臨界轉(zhuǎn)速的平衡工作。

在現(xiàn)場平衡臺上，高壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為144r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為224r/min；低壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為174r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為261r/min。

表3為高、低壓轉(zhuǎn)子低速動平衡過程中的數(shù)據(jù)。可以看出，經(jīng)過低速動平衡后，兩個轉(zhuǎn)子在一、二階臨界下的軸振動水平大幅度降低，表明兩個轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡狀況得到極大改善。

4.3 高壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面瓢偏的修復(fù)

在聯(lián)軸器的制造、安裝及使用過程中可能產(chǎn)生一定程度的端面瓢偏，只要瓢偏值在規(guī)定范圍內(nèi)，就可以不作處理。如果聯(lián)軸器端面瓢偏過大，在高低壓轉(zhuǎn)子連接后將改變各軸瓦的載荷分配，使轉(zhuǎn)子靜撓曲發(fā)生變化，使原來調(diào)整好的汽封、油擋間隙發(fā)生變化，嚴(yán)重時會發(fā)生動靜碰摩；還會影響轉(zhuǎn)子支承狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子振型曲線發(fā)生一定的變化，從而影響轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行時的振動[5]。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面瓢偏超出規(guī)定值時，需要對轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面瓢偏進(jìn)行修復(fù)。

由于該機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面瓢偏值嚴(yán)重超標(biāo)，必須進(jìn)行修復(fù)。采用標(biāo)準(zhǔn)平板修刮等檢修工藝，將該機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器的端面瓢偏由原來的 0.12 mm修復(fù)為0.03mm，達(dá)到了制造廠的相關(guān)要求。高低壓聯(lián)軸器連接后去掉高壓轉(zhuǎn)子低壓側(cè)假瓦，測量高壓轉(zhuǎn)子圓周跳動，最大位置為高壓轉(zhuǎn)子后軸封處，數(shù)值為0.11mm，在檢修規(guī)程要求范圍內(nèi)。

表3 高、低壓轉(zhuǎn)子低速動平衡數(shù)據(jù)表

5 處理后的效果

搶修結(jié)束后，機(jī)組啟動。整個啟動過程很順利。升速過臨界轉(zhuǎn)速時，各軸承振動均不超過 50μm；3000r/m 定速及帶負(fù)荷時，各軸承振動不超過 15μm。超速試驗過程中各軸承振動均小于15μm。各工況機(jī)組軸承振動值，均低于制造廠的規(guī)定值，具體數(shù)據(jù)見表4。之后，經(jīng)連續(xù)一個月的考核運(yùn)行，高低壓轉(zhuǎn)子各軸承振動及波動幅度均正常，機(jī)組振動趨于穩(wěn)定。

表4 處理后機(jī)組振動值 （單位：μm）

6 結(jié)束語

（1）高壓缸上、下缸溫差超過規(guī)定值是造成該機(jī)組啟動過程中發(fā)生動靜碰摩及彎軸事故的主要原因；

（2）對該機(jī)組實施的轉(zhuǎn)子校直、轉(zhuǎn)子低速動平衡及高壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面瓢偏修復(fù)等技術(shù)措施均取得了預(yù)期效果，汽輪機(jī)各軸承振動水平達(dá)到了國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的優(yōu)良水平。

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