工業汽輪機振動故障的分析與處理

王堯 詹培德 張文杰(蘭州石化設備維修公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

某煉油廠重油催化裂化裝置采用的煙氣能量回收系統由煙氣輪機、主風機、汽輪機、增速器及發電機組成，其中汽輪機為杭汽輪生產的NGS63/50/0背壓式汽輪機，工作轉速3772rpm，進汽壓力6.1MPa，排汽壓力0.9～1.1MPa，軸功率12000kW。

1 汽輪機故障

2019年7月汽輪機大修后試車，提升進汽蒸汽量加載負荷時排汽端軸瓦振動值開始明顯升高，最高至90um，現場發現汽輪機排汽側貓爪搭子與貓爪下支撐球面墊片處出現了一道0.10mm的間隙，根據汽輪機技術要求機組熱態下此結合面不該出現間隙，該現象說明汽輪機排汽端機殼出現了“翹頭”現象。檢修人員按照杭汽廠家提供的技術說明中的指導對汽輪機進行不停機在線調整，即在機組運行狀態中下壓貓爪預緊螺栓使汽輪機上機殼下降從而消去0.10mm間隙。經過在線調整汽輪機排汽側振動值由90um降至60um以下。同年12月20日重催裝置因故障停工，停工期間汽輪機在主進汽閥未切斷的情況下經歷了小進汽量運行工況，根據運行記錄汽輪機在兩側軸瓦振動值嚴重超限的情況下持續運行了5min以上直到停轉。裝置再次開工汽輪機以900r/min怠速暖機時進汽端軸瓦振動值已達到50um，排汽端振動值30um。在升速至2000r/min時進汽端軸瓦振動值達到138um，排汽端振動值120um。技術人員判斷汽輪機無法正常投用，隨即對汽輪機解體大修。兩次軸瓦振動故障的監測頻譜圖均以軸頻為主且伴有低頻分量，首先考慮轉子不平衡。停機階段頻譜圖出現的大量高低倍頻顯示轉子可能出現碰磨情況。停機階段頻譜圖出現的大量高低倍頻及波形圖削波情況顯示轉子可能出現碰磨情況(圖1和圖2)，而停機過程中汽輪機軸線軌跡圖也反應了汽輪機轉子發生了嚴重碰磨現象。

2 故障原因分析

2.1 轉子彎曲

圖1 停機前進汽端振動頻譜

圖2 停機前進汽機軸心軌跡圖

拆解后對該轉子做軸彎曲測試發現該機轉子兩端軸徑彎曲嚴重，最大彎曲處為進汽端軸徑處，圓周跳動達到0.18mm，彎曲趨勢為從中間向兩側彎曲，結合該機振動隨轉速增加而增大判斷這是造成汽輪機轉子動不平衡的主要原因。

2.2 轉子與氣缸相對位置偏差較大、發生碰磨

拆解時轉子未吊出氣缸時測量兩側汽封間隙發現兩側氣封間隙偏差嚴重，從進汽端看轉子左側汽封間隙遠小于右側汽封間隙，排汽端軸封左側齒片已與轉子接觸，轉子上汽封齒片幾乎被磨損至根部，這與停機前振動頻譜中顯示的碰摩跡象相符。造成外汽缸偏移的原因有兩種，一種為軸承箱位置發生改變，可能為安裝缺陷導致的基礎長時間蠕變或軸承箱定位螺栓失效引起軸承箱位置改變從而帶動轉子與外汽缸的相對位置發生改變；另一種為外汽缸因調整元件失效發生自身移動而與轉子相對位置發生改變。

從對中數據(表1)判斷轉子在軸系中位置基本沒有改變，則考慮外汽缸在運行中發生移動造成整個通流部分汽封左右間隙偏差及軸封碰摩的可能性較大。

表1 兩次對中數據對比

汽輪機外殼體連同內汽缸均由氣缸調整元件配拉緊螺栓固定位置，查閱近年該機維修記錄發現檢修人員曾松動過排汽端汽缸調整元件(偏心導柱)的拉緊螺栓，但無法旋動偏心導柱外套只能放棄調整，此次外汽缸偏移可能為此偏心導柱的固定功能失效，殼體在熱態下左右發生擺動所致。

3 故障處理

3.1 轉子修復

汽輪機廠家根據轉子情況用激光熔覆手段對轉子進行了軸彎曲修復，矯正了轉子兩端軸承處軸徑同心度及推力盤端面跳動，重新鑲嵌汽封齒片并做高速動平衡校驗。

3.2 軸承箱及通流部分調整

為徹底解決轉子與外汽缸發生碰摩的隱患并顧及汽輪機在機組軸系中的對中情況，決定對汽輪機兩側軸承箱、外汽缸重新安裝。檢修思路為首先調整轉子在軸系中的位置，再精確調整外汽缸位置，最終目的為在盡可能不影響機組對中的情況下首先保證外汽缸與轉子的相對位置，使汽輪機通流部分間隙均勻以保證運行時工況良好。

轉子在軸系中的位置由機組安裝時各軸間距設計參數保證。根據齒輪箱與進汽端聯軸器端面間距和主風機與排汽端聯軸器端面間距可基本確定轉子軸向位置，由于推力盤位置的限制可以將推力瓦一側軸承箱(進汽端軸承箱)的軸向位置隨轉子的位置而確定。排汽側軸承箱軸向位置則可根據安裝時油封斜口與轉子的位置S(見圖3)而確定，以保證盤車掛鉤與盤車齒不發生碰摩。兩側軸承箱的徑向位置則可通過兩側聯軸器端面徑向對中情況來確定。

圖3 排汽側油封與轉子位置示意(左)與轉子與外汽缸軸向定位

當轉子在軸系中位置確定后即可調整下半部分外汽缸與轉子的相對位置，可根據機組安裝時轉子進汽端軸向定位圖中的EII，即轉子進汽端油封加工面到外汽缸軸封安裝加工面的距離來確定外汽缸與轉子的軸向相對位置。外汽缸的徑向位置則可通過測量兩側軸端汽封的徑向間隙值SR1與SR2來確定，如圖4所示。

完成外汽缸定位后可通過復測EI、EIII與EIV的值或SA1、SA2的值來校驗。

圖4 進汽側軸端汽封(左)與排汽側軸端汽封

實際調整情況較為復雜，由于機組安裝問題汽輪機轉子在軸系中預留的間距較設計間距減小，導致進汽側軸承箱位置確定后排汽側軸承箱與轉子軸向間距不夠造成盤車齒與盤車掛鉤碰摩，外汽缸與轉子的軸向位置也比設計時減小。最終調整時通過犧牲排汽側聯軸器軸向間距為排汽側軸承箱及外汽缸的軸向移動提供多余調整空間。

軸承箱、下半部分外汽缸位置確定后將上半部分外汽缸試裝一次調整轉子與整個外汽缸的同心度，因下半部分外汽缸與轉子的位置已經確定，只需要調整汽缸高低即可完成整個汽缸與轉子同心度的調整。

4 試車情況

整體大修后機組設定1000r/min暖機，汽輪機進汽端軸承振動值為50um，升轉至2000r/min時振動值達80um，頻譜顯示為1X頻，軸心軌跡正進動。判斷為轉子做高速動平衡時犧牲了低速下的動平衡狀態導致轉子非工作轉速下振動值較高，且廠家在修復轉子時只對兩側軸承處軸徑矯正，未對整個轉子彎曲矯正，導致轉子低速情況下動平衡性能較差，且暖機時未達到工作溫度，振動值不能代表真實運行情況。經過12h暖機后汽輪機升至工作轉速，升速過程中振動值隨轉速上升而下降，最終穩定在40um。頻譜顯示仍為1x頻，無明顯雜亂成分，碰摩特征頻率消失。

圖5 檢修開車后進汽端振動頻譜

5 結語

工業汽輪機在設計時充分考慮了熱膨脹對整機的影響，轉子的熱膨脹方向被設計為向一側膨脹。汽輪機的機械故障如碰摩、振動等多與轉子、機殼的相對位置不理想有關。轉子與機殼的相對位置及轉子在整個軸系中的位置，二者的調整相互影響，在檢修中需要充分考慮二者的關系以找到最理想的調整方案。