B6-3.3/0.6 型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子損壞修復(fù)方法及預(yù)防措施

李明，任建春

(云南云天化紅磷化工有限公司，云南 開遠(yuǎn) 661699）

某公司一套80 萬噸/ 年硫酸裝置安裝了1 臺拖動用汽輪機(jī)，汽輪機(jī)型號B6-3.3/0.6，額定轉(zhuǎn)速度3950 轉(zhuǎn)/分鐘，額定功率6000kW，額定進(jìn)汽溫度435℃，額定壓力3.3MPa，排汽壓力0.6MPa，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速2265 轉(zhuǎn)/分鐘。轉(zhuǎn)子采用整段式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子重量2352kg.轉(zhuǎn)子材料30Cr2Ni4MoV。

2019 年6 月25 日這臺汽輪機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)檢修。從運(yùn)行記錄看，當(dāng)時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速從3950 轉(zhuǎn)/分鐘降至1000 轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)行，大約運(yùn)行3 小時后汽輪機(jī)前后軸瓦振動開始增加，最高升到0.5mm，操作人員及時拉閘停車。從振動增加到停機(jī)這個時間共24 分鐘，此后又沖轉(zhuǎn)了2 次，最后一次沖轉(zhuǎn)時在1400 轉(zhuǎn)/分鐘的低轉(zhuǎn)速下軸瓦振動已經(jīng)達(dá)到0.23mm，由于汽輪機(jī)振動大而停機(jī)處理。

從當(dāng)天的運(yùn)行記錄看，本臺設(shè)備當(dāng)天的開機(jī)投運(yùn)過程都比較正常，在1400 轉(zhuǎn)/分這個轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)前后軸瓦振動都小于0.05mm，但出現(xiàn)事故后最后一次沖轉(zhuǎn)在這個轉(zhuǎn)速下振動大幅升高到0.23mm，伴隨著汽缸內(nèi)部有明顯的磨擦聲。從測量到的頻譜圖看，工頻分量特別大，說明轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了彎曲，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量發(fā)生了改變。停機(jī)后揭開汽輪機(jī)上汽缸檢查，轉(zhuǎn)子發(fā)生了嚴(yán)重磨擦，總共6 級葉輪在葉輪圍帶處大約30 角的弧度磨損十分嚴(yán)重，后軸瓦（油擋）磨損2mm,隔板（汽封）磨損1mm，后軸瓦（靠盤車處）軸磨擦嚴(yán)重局部已發(fā)藍(lán)。轉(zhuǎn)子最大彎曲0.71mm，從磨損部位的相位角看所有的磨損部位相位角都處于同一個角度上度，位于彎曲曲面的凹面，見圖1，圖2

圖1 轉(zhuǎn)子磨損部位

從檢測數(shù)據(jù)分析這根轉(zhuǎn)子已經(jīng)發(fā)生了永久性的塑性變形，轉(zhuǎn)子的最大彎曲值技術(shù)要求為＜0.06mm，實(shí)際測量出的數(shù)值為0.71mm,已經(jīng)超過近10 多倍。

圖2 葉輪磨損部位，位于葉片圍帶處

1 轉(zhuǎn)子損壞原因分析

正常情況下轉(zhuǎn)子受到的主要應(yīng)力是傳遞扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力、離心力引起的應(yīng)力、溫度不均勻引起的熱應(yīng)力, 軸振動所產(chǎn)生的應(yīng)力。在實(shí)際使用過程中溫度不均勻引起的熱應(yīng)力比最為常見，對機(jī)組的影響比較大，即我們常說的轉(zhuǎn)子熱彎曲，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彎曲后會改變轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡量增加，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)振動增加，這是汽輪機(jī)振動異常的一個重要因數(shù)。特別是在中小型汽輪機(jī)上特別多，因?yàn)橹行⌒推啓C(jī)檢修和操作運(yùn)行水平參差不齊，很容易導(dǎo)致動靜磨擦，造成轉(zhuǎn)子熱彎曲。運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲是由于發(fā)生了動靜磨擦而造成轉(zhuǎn)子不均勻發(fā)熱，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大熱應(yīng)力而造成變形彎曲，轉(zhuǎn)子的熱變形及恢復(fù)過程如下圖所示。

先是發(fā)生局部磨擦產(chǎn)生熱膨脹，轉(zhuǎn)子彎曲（如圖3 所示），發(fā)熱部位金屬的熱膨脹由于受到周圍溫度低的金屬的約束限制，產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，如果這個壓應(yīng)力低于金屬的屈服極限，這個時候受熱部位產(chǎn)生的是彈性變形，當(dāng)發(fā)熱部位溫度恢復(fù)正常后轉(zhuǎn)子又會恢復(fù)到原來的狀態(tài)（如圖4 所示），如果壓應(yīng)力超過金屬的屈服極限，就會使該處的金屬產(chǎn)生塑性壓縮而不是彈性變形，當(dāng)這個部位的溫度恢復(fù)正常后，過熱部位收縮后的體積就小于原來的體積，這個收縮部位的金屬就會拉扯周圍的金屬，產(chǎn)生一個拉應(yīng)力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反向彎曲（如圖5 所示），這就是為什么這根轉(zhuǎn)子磨擦部位處在彎曲的凹面的原因。

圖3 發(fā)熱膨脹彎曲

圖4 熱應(yīng)力小于屈服極限

圖5 熱應(yīng)力大于屈服極限

造成動靜磨擦的原因主要有2 個：第一是由于汽缸內(nèi)部間隙調(diào)整未達(dá)到設(shè)計要求而造成的，第二是汽缸溫度變化大，導(dǎo)致汽缸產(chǎn)生較大熱應(yīng)力而變形導(dǎo)致汽缸內(nèi)動靜間隙改變而造成的。從運(yùn)行記錄分析，事故發(fā)生在汽輪機(jī)將轉(zhuǎn)速降到1000 轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)行3 小時后發(fā)生的，由于此時設(shè)備的連鎖保護(hù)被人為解除，造成振動達(dá)到連鎖保護(hù)值時設(shè)備沒有跳停，在振動較高的情況下汽輪機(jī)運(yùn)行了24 分鐘，使轉(zhuǎn)子在較長時間強(qiáng)烈的磨擦下產(chǎn)生高溫而發(fā)生塑性彎曲變形。

拖動式汽輪機(jī)降轉(zhuǎn)速就是一個大幅減負(fù)荷的過程，這個時候汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥是逐步關(guān)閉的過程，轉(zhuǎn)速減到1000 轉(zhuǎn)/分時調(diào)節(jié)閥開度很小，進(jìn)汽量也相應(yīng)很少。雖然進(jìn)汽蒸汽參數(shù)沒有發(fā)生變化，但其實(shí)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽是在調(diào)節(jié)閥處經(jīng)過了一個等焓絕熱膨脹的節(jié)流過程，如圖6 所示。

圖6 節(jié)流閥示意圖

節(jié)流后的蒸汽雖然熱能沒有改變，但溫度、壓力已經(jīng)大幅降低，蒸汽再經(jīng)過前面幾級動葉做功后到后面幾級葉輪時候蒸汽參數(shù)會將到很低，甚至?xí)M(jìn)入到濕蒸汽區(qū)使下汽缸積水，在這種情況下會造成上下汽缸溫差緩慢增加。長期的運(yùn)行觀察，我們經(jīng)常會觀察到在極低負(fù)荷或低轉(zhuǎn)速下，隨著時間延長，汽缸的上下缸溫差都會緩慢增加，上缸溫度會比下缸溫度高，上缸的膨脹量比下缸膨脹量大，造成汽缸向下彎曲，即所謂的“貓拱背”。如果抽氣器工作不正常，抽力小，還能觀察到凝結(jié)水從前后軸汽封里面甩出。當(dāng)彎曲到一定程度時，汽缸內(nèi)動靜間隙消失，發(fā)生磨擦，轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲，這就是為什么在1000 轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)行近3 小時后振動會不斷增加的原因。

發(fā)生磨擦的部位是汽封體與轉(zhuǎn)子磨擦，在汽輪機(jī)設(shè)計上汽輪機(jī)的汽封塊都是可活動的，活動間隙2mm 左右。汽封塊背面安裝有彈簧或彈簧片，如果發(fā)生轉(zhuǎn)子與汽封塊碰撞磨擦，因?yàn)槠鈮K還有2mm 的間隙，所以磨擦力就是彈簧變形的彈力。這個彈力不大，由于磨擦產(chǎn)生的熱量與磨擦力成正比，所以產(chǎn)生的熱量不會太大。而且轉(zhuǎn)子在蒸汽的沖刷冷卻作用下，這種磨擦不會導(dǎo)致溫升過高，轉(zhuǎn)子的熱變形比較小，不會對機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這個與大量機(jī)組檢修后的動靜磨擦經(jīng)常發(fā)生但機(jī)組運(yùn)行正常的實(shí)際情況相符。如果安裝、檢修過程中汽缸里面的間隙調(diào)整嚴(yán)重不合格，在上述情況下就會造成汽封塊的活動間隙消失，產(chǎn)生硬碰硬磨擦，這種磨擦力很大，會造成轉(zhuǎn)子磨擦部位溫度過高，發(fā)生較大彎曲。這種彎曲反過來產(chǎn)生較大振動，使磨擦更加強(qiáng)烈，形成惡性循環(huán)，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。由于本臺機(jī)組磨擦嚴(yán)重，汽缸里面間隙增加較大無法準(zhǔn)確判斷間隙情況，但從盤車齒輪附近軸上由于嚴(yán)重磨擦而發(fā)藍(lán)的現(xiàn)象看，這根轉(zhuǎn)子彎曲得比較厲害。因?yàn)檫@個地方的間隙最小有2mm 多，由于汽輪機(jī)剛大修不久，發(fā)生如此嚴(yán)重磨擦說明汽缸內(nèi)有些間隙在檢修時調(diào)整的過小。現(xiàn)場檢查到下隔板與汽缸間隙過小，技術(shù)要求2～2.5mm，實(shí)際測量，全部未到達(dá)要求，最小的一級隔板只有0.87mm,其它的已經(jīng)磨損出較大的間隙無法判斷。

2 轉(zhuǎn)子修復(fù)辦法

這臺汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是一根整段式轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彎曲較大，如果采用常規(guī)的冷校或熱校，要把長3896mm 的轉(zhuǎn)子最大彎曲值校直到0.06mm 以內(nèi)，目前這兩種校正工藝無法確保成功，難度和風(fēng)險極大。而且這兩種校正方法有一個缺點(diǎn)，就是校正后很難把應(yīng)力消除掉。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是在高溫且溫度變化大的環(huán)境下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子材料里面含有一種很活躍的金屬元素Ni，殘存的應(yīng)力會不會使轉(zhuǎn)子又發(fā)生彎曲，存在很大不確定性。目前最可行的方法是車削法，這種方法是在精度高的機(jī)床上先找出轉(zhuǎn)子的高點(diǎn)，確定出各個部位需要車削的量，然后將轉(zhuǎn)子各個高出的部位車削掉，使轉(zhuǎn)子變直，車削完后在高速平衡機(jī)校正平衡，轉(zhuǎn)子便可恢復(fù)使用。從測量出的數(shù)據(jù)看，車削量在0.7mm 以內(nèi)，轉(zhuǎn)子也還有加工余量，這種方法唯一的一個不確定的影響因素就是前面提到的轉(zhuǎn)子目前存在一個拉應(yīng)力，由于轉(zhuǎn)子材料里面含有一種很活躍的金屬元素Ni，這個應(yīng)力的變化容易造成轉(zhuǎn)子彎曲度發(fā)生變化。為了檢查轉(zhuǎn)子彎曲度是否會變化，特地將轉(zhuǎn)子放在低速平衡機(jī)上慢速長時間轉(zhuǎn)動，然后又將轉(zhuǎn)子拱背朝上放置了10 多個小時，用百分表檢查轉(zhuǎn)子的彎曲度并無變化，說明轉(zhuǎn)子的變形基本是穩(wěn)定的。運(yùn)到制造廠檢測，轉(zhuǎn)子的彎曲度并沒有發(fā)生變化，可以肯定這根轉(zhuǎn)子彎曲度不會再發(fā)生變化。于是上數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工處理，在加工過程中發(fā)現(xiàn)后軸瓦軸徑這個地方如果要車直，軸徑處的直徑要車削0.045mm。原來的軸瓦就不能使用，由于這種軸瓦是德國進(jìn)口的軸瓦，采購周期大概3 個月，這將對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。如果這個地方不處理，整根轉(zhuǎn)子在后軸瓦處產(chǎn)生0.02mm 的偏心。從影響來講，除對機(jī)組的振動會有一定的影響外，無其他影響。經(jīng)估算由此造成的振動增加大概在0.03mm 左右，考慮到生產(chǎn)的實(shí)際情況，最后決定這個地方不進(jìn)行處理。加工結(jié)束后按制造廠的技術(shù)要求對整根轉(zhuǎn)子進(jìn)行了4120 轉(zhuǎn)/分鐘高速動平衡。轉(zhuǎn)子修復(fù)結(jié)束，開始進(jìn)行復(fù)裝，由于轉(zhuǎn)子的軸已經(jīng)加工變細(xì)，因此原來的汽封塊就與轉(zhuǎn)子已經(jīng)不配套，需要在復(fù)裝現(xiàn)場對汽封塊進(jìn)行處理，見圖7。

圖7 汽封塊打磨處理方法

通過對6 個結(jié)合面打磨處理，減小內(nèi)徑R 值來調(diào)整汽封塊上汽封片與轉(zhuǎn)子軸上汽封片之間的間隙，將這個間隙調(diào)整到技術(shù)要求范圍內(nèi)。在復(fù)裝的過程中還對隔板與汽缸的間隙進(jìn)行了調(diào)整，使這個間隙達(dá)到了技術(shù)要求值。

3 汽輪機(jī)開車及運(yùn)行情況

2019 年7 月17 日機(jī)組復(fù)裝結(jié)束后，開機(jī)運(yùn)行。過臨界軸振動最大為0.254mm,轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速3950 轉(zhuǎn)/分鐘帶滿負(fù)荷后機(jī)組振動較好，運(yùn)行平穩(wěn)。運(yùn)行參數(shù)見表1。

4 預(yù)防措施

(1)裝置停車時，汽輪機(jī)同步停車盤車。

(2)汽輪機(jī)嚴(yán)禁在低轉(zhuǎn)速下長時間運(yùn)行，目的是防止汽缸變形造成動靜摩擦。特別是設(shè)備在檢修過程中一些重要間隙未能調(diào)整不好的情況下往往會造成嚴(yán)重動靜摩擦。

(3)汽輪機(jī)過臨界轉(zhuǎn)速振動值超過0.26mm 或軸承箱體振動超過0.05mm 時立即停車，停車期間投入盤車，再次沖轉(zhuǎn)時盤車過程中的前后瓦振動值不能超過設(shè)備正常時盤車過程中的振動值。

表1 汽輪機(jī)運(yùn)行振動記錄表

(4)開車過車中監(jiān)控好上下缸溫差，溫差不超過50℃，如果超過，應(yīng)該停車，待溫差在50℃內(nèi)，最好30℃內(nèi)再沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)過程中控制好升速曲線，低速下勿停留過長。

(5)在汽輪機(jī)正常運(yùn)行情況下，振動值大于連鎖保護(hù)或軸承箱體振動超過0.05mm 時立即停機(jī)檢查。

(6)汽輪機(jī)在開車和運(yùn)行過程中聯(lián)鎖正常投入,嚴(yán)禁無聯(lián)鎖保護(hù)開車和運(yùn)行。

5 結(jié)語

(1)汽輪機(jī)作為工廠的關(guān)鍵設(shè)備，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程及維護(hù)檢修規(guī)程是防止設(shè)備損壞的重要手段。

(2)設(shè)備投入運(yùn)行后經(jīng)過了2 個多月運(yùn)行觀察，期間開停機(jī)兩次，振動無變化，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子修復(fù)達(dá)到了使用要求，本修理方法是可行的。