核電汽輪機振動故障診斷與處理

孫忠旭

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 引言

某核電站汽輪機組是公司生產的單軸、 三缸（高中壓合缸）、 四排汽、 沖動凝汽式半轉速核電汽輪機, 額定功率為1 089 MW, 額定轉速為1 500 r/min。

機組軸系主要包括高中壓轉子、 LP1低壓轉子、 LP2低壓轉子和發電機轉子, 1～8 號支持軸瓦均為三瓦塊可傾瓦, 軸系布置詳見圖1。

機組自投入商業運行以來, 運行情況良好,滿功率運行狀態下的振動一直都比較小。 機組進行第一次大修后, 在啟機并網、 升負荷過程中出現了6～7 號軸瓦軸振偏高的問題： 在滿功率運行時6 號軸瓦軸振已逼近90 μm 報警限值, 影響機組的安全運行。 因此有必要對大修后6～7 號軸瓦軸振偏高問題實施診斷和處理。

1 問題描述

1.1 大修情況描述

此次大修為機組商運后的首次大修, 檢修內容包括汽輪機高中壓缸開缸檢修, 抽發電機轉子檢查, 1～8 號軸瓦解體檢查, 汽輪發電機組軸系重新找中等。

1.2 軸振數據對比

通過大修前滿負荷工況軸振（見表1）和大修后滿負荷工況軸振（見表2）的數據對比, 發現大修后機組滿負荷工況下軸振幅值明顯增高, 尤其是6～7瓦水平方向軸振幅值大幅增高, 其中6 瓦水平軸振由18.3 μm 升高至84.9 μm, 接近90 μm 報警值, 變化幅值較大。

表2 大修后滿負荷工況軸振 μm

1.3 振動曲線描述

為進一步分析6～7 瓦軸振偏高問題, 提取軸振與有功負荷關聯曲線（見圖2）進行分析, 得出：6～8 號瓦軸振與有功功率變化呈較強的關聯關系,其水平、 垂直方向軸振都隨有功功率呈同向變化。

圖2 大修后5～8 號瓦軸振與有功功率關聯曲線

1.4 振動頻譜及相位分布（100%功率平臺）

通過查閱機組振動頻譜數據記錄, 導致6～7號瓦振動偏高的主要頻率成分為工頻, 其他倍頻無明顯表現。 機組滿功率狀態下的振動頻譜及相位數據見表3。

表3 機組滿功率時振動頻譜及相位分布

2 振動故障分析和診斷

2.1 振動特征篩選

汽輪發電機組振動故障診斷是根據相關的數據和信息對故障定性, 進而對其產生的原因或機理做出判斷, 并確定解決措施和實施處理方案。振動故障有很多類型, 但其中數種常見故障的發生率占了總數的95%以上[1]。根據機組振動曲線、頻譜數據及振動特征, 推斷出常見的有可能導致6～7號瓦振動偏高的原因是聯軸器螺栓緊力不足。 聯軸器螺栓緊力不足引發的振動頻譜特征為1X, 與負荷有關, 與此次故障現象相同。

2.2 負荷變化試驗驗證

為進一步確定原因, 驗證振動與負荷的關聯,決定利用降功率窗口, 檢查機組振動。 結果在機組功率下降時, 振動也隨之降低, 與升功率過程類似, 如圖3 所示。 說明此次機組振動幅值隨負荷上升而增大、 隨負荷降低而減小, 與負荷呈較強的關聯關系。 而資料顯示[2]： 機組解列、 并列和增減負荷時, 振動幅值和相位突然發生變化, 并有較好的重現性, 而且與機組受熱狀態無關； 這種振動發生的原因一般都是由聯軸器螺栓緊力不足影響的； 當有功負荷穩定時, 振幅和相位較為穩定。

因此, 結合振動特征篩選情況和降負荷試驗情況, 可以判斷出導致6～7 號瓦振動偏高的原因是聯軸器螺栓緊力不足。

圖3 機組降功率過程振動變化曲線圖

3 聯軸器螺栓緊力不足引發振動的機理分析

3.1 聯軸器結構介紹

該機組轉子剛性聯軸器通過螺栓連接并借助錐形襯套通過液壓拉伸裝置來實現緊固, 汽輪機的扭矩部分通過聯軸器間的摩擦力傳遞,部分通過螺栓上的剪切力實現。聯軸器結構如圖4 所示。

圖4 聯軸器螺栓結構圖

3.2 聯軸器失效機理分析

汽輪發電機組運行時, 每個螺栓傳遞的扭矩都應是均勻的。 這樣在負荷變化過程中, 每個螺栓傳遞的力也是相等地增加或減小。

假設聯軸器只通過2 個螺栓緊固, 每根螺栓剪力相等, 即F1=F2, 則聯軸器只存在扭矩。 如果兩根螺栓剪力不等, 則除了扭矩之外, 還存在一個作用于轉子中心的力F=F1-F2, 這個F 隨著機組負荷變化而變化, 所以機組的振動也就表現為隨著負荷變化而變化。 除F 之外, 螺栓松動會造成兩半對輪位置變化、 聯軸器質量中心發生偏差,出現新的附加不平衡質量, 從而產生額外的不平衡力, 表現為振動加劇[3]。

當負荷發生變化時, 傳遞的力矩改變, 直接影響傳遞扭矩的摩擦力和剪力的大小, 從而改變了聯軸器螺栓的原始平衡狀態, 導致轉子振動變化。 這種變化是在改變有功負荷的瞬間完成的,所以振動變化無時滯現象。 這也就解釋了由聯軸器緊力不足引發的振動與有功負荷呈較強關聯關系的原因。

4 故障處理

4.1 臨時處理方案

綜上所述, 最終判定造成此次機組振動的原因是低-發聯軸器螺栓緊力不足。 考慮到汽輪發電機組已滿功率運行, 低發對輪扭矩已達最大, 推斷振動情況不會因升降功率進一步惡化； 雖然可保持穩定運行, 但仍需盡快停機處理。

4.2 停機處理

4.2.1 解體檢查

利用機組停機窗口, 對低發對輪進行解體檢查, 結果如下：

（1）拆前檢查低發對輪同心度為0.005 mm, 標準≤0.02 mm, 數據合格；

（2）檢查對輪螺栓伸長量, 15 顆螺栓伸長量偏小, 1 顆螺栓伸長量值合格, 與故障診斷結果相符, 詳見表4 低-發聯軸器螺栓伸長量檢查結果。

表4 低-發聯軸器螺栓伸長量檢查結果

4.2.2 重新緊固聯軸器螺栓

按照下面聯軸器螺栓安裝工藝流程, 重新安裝所有聯軸器螺栓, 確保伸長量在合格范圍內。

（1）安裝件④、 件⑤到聯軸器孔中。

（2） 從螺柱大端螺母向小端螺母方向將件①（帶件②） 穿入對輪中。

（3）安裝件③到螺柱上, 用手旋緊件③使件①和件④之間及④和聯軸器法蘭孔B 之間接觸； 調整件①到對輪封板之間距離為5±1.5 mm。

（4）安裝件⑦、 件⑥到件③中； 在拉伸側旋緊件②。

（5）從件②處安裝液壓拉伸工具, 加壓到400 bar, 按順序拉伸螺柱, 擰緊件⑥, 擰緊件②。

（6）所有螺栓緊固到400 bar 后, 再按照800 bar 壓力重復上述過程。

（7）聯軸器螺栓緊固完成后測量螺栓伸長量是否合格, 如不合格則需調整油壓重復操作。 法蘭螺栓的伸長會減小螺桿直徑, 使錐形襯套膨脹,從而達到連接聯軸器的作用。

5 效果檢查

完成處理后, 機組順利啟動和并網、 升負荷至滿功率。 啟動過程中, 6～7 號軸瓦軸振基本恢復至大修前水平, 軸振水平明顯降低且保持穩定。其中, 機組滿功率工況下的軸振數據見表5。

表5 處理后滿負荷工況軸振數據表 μm

6 結束語

（1）聯軸器螺栓緊力不足引發的振動現象與機組的有功功率呈現較強的關聯關系, 相對容易分析、 診斷和處理。

（2）此次機組聯軸器螺栓安裝質量不良引發的機組振動給機組安全運行帶來影響； 重新緊固聯軸器螺栓需機組停運、 缸溫冷卻至120 ℃以下才能進行, 工期需10 天左右, 直接影響機組運營指標約1 億元, 給核電廠帶來很大的經濟損失。

（3）核電檢修公司及質量管理部門應當加強對聯軸器螺栓安裝質量的控制, 避免再發生類似的問題。