汽輪機高負荷振動異常分析及處理

吳健 吳仕奎

摘要：本文主要介紹了汽輪機振動異常的常見原因 。同時通過對汽輪機在高負荷狀態下振動異常的分析判斷及處理方法來闡述滑銷系統故障所造成的汽輪機振動異常的現象及特點。

關鍵詞：滑銷系統;熱膨脹;振動;頻譜分析

1? 汽輪機振動故障類型介紹

汽輪機是用蒸汽來作功的旋轉式熱能動力機械，具有效率高、功率大、轉速易控制、壽命長、運轉安全可靠等優點。因此被廣泛地應用在發電、冶金、石油化工等行業[1]。

在汽輪機的運行的諸多參數當中，汽輪機振動值是最為重要的幾項參數之一。振動良好是汽輪機安全穩定長周期運行的基本條件之一。一旦汽輪機振動值出現異常將給企業的生產經營構成經濟、安全多方面的威脅。據統計轉動設備故障類型比例當中，異常振動比例又占比達到30%。同時鑒于振動異常的危害性，振動問題總是牽動各級領導的神經，是研究和公關的重點方向[2]。造成汽輪機異常振動的原因往往比較復雜，常見引起汽輪機振動異常的原因有以下種：

①聯軸器不對中、聯軸器故障或不平衡;軸頸或軸承故障[3];

②基礎不均勻下沉或機座變形;

③轉子熱彎曲;

④動靜部件軸向間隙小于熱脹差;

⑤轉子不平衡;

⑥汽缸或轉子熱變形，產生摩擦;

⑦滑銷系統故障。

下面就引發汽輪機振動異常不太常見故障類型滑銷系統故障，進行分析和處理。

2? 滑銷系統故障引起的振動案例介紹

2.1 設備工況及故障描述

瀘州市垃圾焚燒發電廠2#汽輪發電機組采用的是杭州汽輪機廠生產的N15/3.82凝汽式汽輪機，額定轉速3000r/m，額定功率15mw。該機組該機組通過剛性聯軸器與發電機組連接在一起。汽輪機后軸承與發電機前軸承共用一個軸承座，且該軸承座通過焊接的方式固定在汽輪機排氣缸上面。該機組在投產2年后于2017年開始出現振動異常現象。主要表現為在啟機帶負荷的過程中，機組在空負荷狀態時各軸承振動值隨轉速上升而上升（但仍在技術要求范圍以內），但機組一旦待負荷后汽輪機后軸承振動隨負荷的增長而緩慢增漲，且負荷上升到一定程度后振動急速加劇（振動突變120um左右），隨后達到聯鎖停車值。其振動現象表現為以下幾個特點：

①振動值隨轉速上升而上升（尚在技術參數要求

以內）;

②振動值對蒸汽參數敏感，蒸汽溫度波動時，振動值波動大，但振動波動具有一定時間滯后性;

③振動值汽輪機負荷變化而變化，低負荷階段隨汽輪機負荷上升而緩慢上升。高負荷階段隨負荷上升而劇烈階躍性上升（振動加劇具有一定時間滯后性），快速達到連鎖停機值。

2.2 初步故障判斷

對汽輪機啟機升速階段做振動頻譜分析及趨勢圖（見圖1）可知：汽輪機后軸承振動以工頻振動為主，其他振動頻率所占比例較小[4]。

結合汽輪機振動隨負荷變化趨勢可知，汽輪機振動值對缸體熱變形敏感。綜合振動異常時的現象可初步判定汽輪機故障為動靜碰摩，而結合本機組原因可能為以下兩點：

①汽輪機滑銷系統故障，機組熱膨脹故障導致動靜摩擦;

②汽輪機轉子存在熱變形，隨機組進汽量變大而體現出來，致轉子動不平衡振動變大。

考慮到機組在盡兩的運行期間內，未出現過可能致使汽輪機轉子發生熱彎曲的因素或現象。該機組的振動異常原因為滑銷系統故障的可能性較大。具體到滑銷系統出現了哪類型故障需要在機組的大修過程中進一步得到驗證。

2.3 汽輪機大修開缸檢查

為了進一步確定汽輪機故障原因解決汽輪機振動大故障及證實上述判斷想，遂利用鍋爐檢修降負荷之際對汽輪機進行大修，重點檢查汽輪機滑銷系統及汽輪機轉子。在開缸后對轉子及缸體檢查發現如下問題：

①汽輪機缸體與機頭前軸承座連接的立銷槽一側出現較大裂紋，立銷側間隙遠超技術標準;

②汽輪機缸體后迷宮汽封齒與轉子后汽封齒產生嚴重動靜碰撞，磨損嚴重。汽輪機轉子第4、5級葉輪圍頂與缸體迷宮密封齒有動靜摩擦痕跡。汽輪機轉子復速級及第1、2、3級與缸體隔板密封齒的間隙，右側遠遠大于左側;

③缸體前汽封洼窩中心嚴重向左側偏心。

對上述現象進一步分析，可排除轉子熱彎曲引起振動大的可能性。同時證實引起汽輪機高負荷振動大的根本原因為滑銷系統故障，故障源頭為：機頭前軸承座與缸體連接的立銷槽一側產生裂紋致使裂紋一側間隙變大所導致。本應在熱膨脹過程中引導汽輪機缸體上下膨脹的立銷，由于立銷槽一側出現裂紋使汽輪機缸體往出現裂紋一側膨脹不受約束。當熱膨脹量超過汽封間隙時，汽輪機轉子和汽輪機缸體發生動靜摩擦，從而導致振動異常。

3? 處理方式及開機測試

要解決汽輪機高負荷振動大故障必須將該軸承座立銷槽修復，若從生產廠家購買新的機頭軸承座將花費更長的時間，故只能現場修復該機頭軸承座立銷槽。

由于汽輪機機頭前軸承座材質為鑄鐵，鑄鐵可焊性差且焊接時無法保證焊接后立銷槽與立銷的配合精度。故只能采取其他方式修復：在原立銷鍵槽壁開裂位置用鏜床加一平面，再在平面上開孔通過螺栓及圓柱銷的方式固定一塊鋼制件加工件在軸承座上，同時以另一側完好的立銷槽壁為基準從加工新調整出一個完整的立銷槽。在保證新加工的立銷槽的強度情況也，也兼顧立銷槽與汽缸立銷的配合精度。

在完成大修其他工作后，遂啟動2#汽輪機組對維修效果進行鑒定。機組在啟動升轉速至工作轉速振動狀態良好。機組帶負荷后，負荷由低負荷至滿負荷振動狀態良好，汽輪機后軸承振動由129um下降至最大30um，至此2#汽輪機高負荷狀態下振動異常故障得到解決。但造成汽輪機軸承座立銷槽開裂斷掉的原因還有待今后進一步探究。

4? 結論

由于汽輪機的振動往往受多方面的影響，只要跟機本體有關的任何一個設備或介質都會是機組振動的原因。特別是本文中汽輪機在升速階段振動值良好，但在帶負荷以后振動值隨負荷升高而升高，且振動上升具有一定時間滯后性，同時振動為工頻時，汽輪機故障往往與轉子熱彎曲及滑銷系統故障相關，二者故障現象具有一定相似性。在排除轉子熱彎曲的可能性下，滑銷系統故障造成缸體熱膨脹受阻，往往是汽輪機在高負荷狀態下振動異常的重要原因。

參考文獻：

[1][3]任曉善.化工機械維修手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]陸頌元.汽輪發電機組振動[M].北京：中國電力出版社，2000.

[4]沙德生，陳江.火電廠設備狀態檢修技術與管理術[M].北京：中國電力出版社，2016.