空壓機組汽輪機振值高聯鎖跳車原因分析及處理

呂云輝，李代富，李維特，張曉廣，趙忠武

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021506）

1 概 述

呼倫貝爾金新化工有限公司36000m3／h空分裝置空氣壓縮機組由空壓機、汽輪機、增速箱和增壓機組成，采用一拖二的形式（汽輪機同時驅動空壓機和增壓機）。其中，空壓機和增壓機由陜鼓設計制造，增速箱由臺朔設計制造，汽輪機（高壓凝汽式）由杭州汽輪機股份有限公司引進德國西門子技術設計制造。

空壓機組汽輪機型號HNKS50／71／32；設計進汽壓力8.9～9.6MPa（A）、正常工況進汽壓力9.4MPa（A），排汽壓力0.012MPa（A）；設計進汽溫度520～530℃、正常工況進汽溫度525℃，排汽溫度50℃；轉速5130r／min（正常工況／額定工況），一階臨界轉速2700r／min；耗汽量88t／h，額定功率29987kW、正常工況功率25615kW。

2 汽輪機振值高聯鎖跳車事故簡況

空分裝置空壓機組汽輪機于2019年6月28日停車進行年度計劃檢修，主要進行了軸承使用情況檢查、相關數據測量、軸承接觸檢查、汽缸洼窩中心檢查與對中等，并于2019年7月5日重啟，機組運行正常。2019年7月8日因熱電裝置2＃鍋爐外送蒸汽大閥閥體出現裂紋需緊急停車處理，當日20：53空壓機組停車過程中，汽輪機進、排汽側軸頸振值突然異常上漲，汽輪機振值高聯鎖跳車——ITCC顯示4個測點振值均漲至150μm、S1顯示約288μmpp（報警值為50μmpp，聯鎖值為75μmpp）。隨即，我們進行了全面的原因分析及排查，當機立斷對汽輪機進行揭蓋大修，最終確定了引起機組跳車的原因，并進行了處理，保證了機組的正常運行。

3 原因分析與排查

引起汽輪機產生振動的因素較多，如裝配、松動、對中、汽流激振、偏心、摩擦、動平衡及工藝等方面。據近年來對空壓機組汽輪機的檢修情況，不斷縮小誘因查找范圍，最后將分析與排查的重心集中到了以下幾個方面。

3.1 儀表探頭故障

現場檢查測振探頭無松動現象，對測振探頭用萬用表進行校驗檢查，測振探頭狀況良好。因此，可排除儀表探頭故障這一因素。

3.2 聯軸節故障

通過前期中修及本次大修檢查，聯軸節、膜片、螺栓使用情況良好，并未發現異常，軸間距及膜片預拉伸量等數據合格。因此，可排除聯軸節故障這一因素。

3.3 潤滑油品質

對2019年1—5月空壓機組汽輪機潤滑油（昆侖潤滑油L-TSA46）月度檢驗報表進行抽查，潤滑油的粘度、閃點、酸堿值、水分和機械雜質含量均合格，并未發現異常。因此，可排除潤滑油品質不良這一因素。

3.4 對中不良

由對中不良引起的特征頻率為2倍頻，查閱頻譜圖，并沒有發現有關的明顯特征。因此，可排除對中不良這一因素。

3.5 汽流激振

汽流激振典型的故障現象是其頻率以1／2倍頻分量為主，但在頻譜圖上并未出現1／2倍頻的分量成分。因此，可排除汽流激振這一因素。

3.6 軸承系統故障

軸承系統故障振動原因較多，如支撐系統松動、軸承間隙不符合要求、油膜渦動等。經仔細檢查，確認軸承可傾瓦塊活動靈活，瓦枕與軸承座接觸良好，裝配情況較好，軸承座未見異常，軸承間隙也符合設計要求（0.30～0.45mm）。因此，可排除軸承系統故障這一因素。

3.7 偏 心

檢修復測數據時，我們發現轉子與前、后軸承座及轉子與前、后汽缸的同心度均與設計值不符：轉子比前軸承座中心高0.41mm，轉子比后軸承座中心高0.32mm；轉子比前汽缸中心高0.085mm，轉子比后汽缸中心高0.345mm。從復測數據上看，懷疑轉子與前、后軸承座及轉子與前、后汽缸偏心可能是導致汽輪機振值偏高的原因之一。但將2019年6月停車中修時汽輪機轉子與前、后軸承座及轉子與前、后汽缸的同心度數據進行對比，發現與2019年7月聯鎖跳車時數據相差不大。因此，可排除偏心這一因素。

3.8 動、靜部件摩擦

若汽輪機轉子的動、靜部件碰磨，轉子1倍頻提純軸心軌跡圖上將會觀察到“反進動”現象。經查，軸心軌跡圖顯示轉子進動方向與旋轉方向相反，為“反進動”；另外，在汽輪機手動盤車時用聽針也聽到了機組內部摩擦的聲音。因此，可判斷機組轉子的動、靜部件摩擦是引起汽輪機振動增大的主要原因之一。

汽輪機停車過程遵循“先降壓，再降速”的原則，經查，機組降壓已完成、降速過程中才出現轉子軸頸振值突然增大而跳車。由振幅公式A=F／k、F=F1＋F2＋F3（式中：A—振幅，F—力，k—剛度，F1—轉子的轉動力，F2—氣動力，F3—外力）可知，轉子的轉動力F1、氣動力F2、剛度k不變的情況下，只有在外力的作用下才會引起轉子軸頸振幅A增大，而這個外力很有可能就是摩擦力。

2019年7月10日，空壓機組汽輪機揭蓋大修發現：蒸汽室殼體及噴嘴沖刷嚴重，蒸汽室噴嘴由南至北編號為1＃～12＃，其中2＃、3＃、5＃、6＃噴嘴沖刷最為嚴重，1＃～3＃噴嘴上部密封梳齒部位沖刷寬度約13mm、深度約10mm，4＃～5＃噴嘴上部密封梳齒部位沖刷寬度約25mm、深度約12mm，6＃～8＃噴嘴上部密封梳齒部位沖刷寬度約10mm、深度約3mm，9＃噴嘴上部密封梳齒部位沖刷寬度約2mm、深度約1.5mm，10＃～11＃噴嘴上部密封梳齒部位沖刷寬度約12mm、深度約2.5mm，12＃噴嘴上部密封梳齒部位沖刷寬度約3mm、深度約2mm；一段、二段、三段導葉持環密封齒斷裂；轉子高壓級（1～5級）葉輪圍帶沖刷磨損、密封齒斷裂；入口濾網損壞嚴重，且在汽缸缸體內發現較多焊渣、鐵絲、濾網殘渣。最終可以確認，汽輪機轉子動、靜部件摩擦是其軸頸振值增大而致機組聯鎖跳車的主要原因。

綜上所述，高壓蒸汽中外來異物（如焊渣、鐵絲、濾網殘渣）擊穿入口濾網，濾網殘渣進入蒸汽室導致轉子動、靜部件發生嚴重摩擦，是導致空壓機組汽輪機軸頸部位振值異常升高而聯鎖跳車的主要原因。

4 處理措施及效果

（1）更換新濾網，更換備用轉子。

（2）蒸汽室沒有事故備件且新備件制造周期較長（約6個月），因生產任務較重，決定對蒸汽室（材質ZG17Cr1Mo，其化學成分見表1、力學性能見表2）殼體沖刷嚴重部位予以焊接處理。雖然蒸汽室在焊接后的運行過程中可能存在蒸汽沖刷焊接部位脫落的風險，但通過對蒸汽室用材進行化學成分分析、力學性能綜合評估以及咨詢廠家后，認為其風險可控，于是對蒸汽室沖刷嚴重部位打磨后使用PP-H13CrMoA焊絲氬弧焊打底、PP-R307焊條進行補焊（PP-H13CrMoA焊絲和PP-R307焊條的化學成分見表1），打磨修復并著色檢查無缺陷后復位。PP-H13CrMoA是1.25%Cr-0.5%Mo珠光體耐熱鋼用鍍銅埋弧焊絲，焊接工藝性能優良，電弧燃燒穩定、脫渣容易，焊縫成型美觀，具有優良的抗裂性能和較高的抗低溫沖擊性能；PP-R307焊條是低氫鈉型藥皮、含1.2%Cr-0.5%Mo的珠光體耐熱鋼焊條，采用直流反接，短弧操作，可進行全位置焊接。

（3）對于噴嘴（材質2Cr12MoV，其化學成分見表1、力學性能見表2）及輕微沖刷部位，因考慮到馬氏體不銹鋼在焊接過程中極易出現裂紋，因而不予焊接，只作打磨倒鈍處理。

表1 蒸汽室、噴嘴用材及焊絲（條）PP-H13CrMoA、PP-R307的化學成分表%

表2 蒸汽室、噴嘴用材力學性能

（4）一、二、三段導葉持環斷裂的密封齒予以清理。

（5）舊轉子外送返廠修復。

采取上述措施完成檢修后，空壓機組汽輪機于2019年7月15日進行了試車，除輪室壓力偏高（設計值4.0MPa，實際值4.8MPa；檢修前運行值5.0MPa）、機組能耗高、效率低外，各項參數均符合設計要求，S1顯示汽輪機進、排汽側軸頸振值分別穩定在13μmpp和25μmpp之內（報警值50μmpp，聯鎖值75μmpp），運行狀況較好。截至2020年6月中旬，空壓機組汽輪機已連續運行約330d，機組運行比較平穩。

5 遺留問題及改進建議

蒸汽室、一段導葉持環因沒有事故備件未更換，尤其是蒸汽室補焊部位可能存在沖刷脫落的風險，已計劃在空分裝置大修時予以徹底處理。

總結本次事故的經驗教訓，前系統高壓蒸汽管網、閥門等檢修后，一定要進行吹掃、打靶，形成標準化作業程序，吹掃、打靶合格后方可進行蒸汽外送。另外，空壓機組汽輪機入口蒸汽濾網結構設計不合理，該濾網為整圈纏繞型濾網，任何一圈出現裂紋或有其他缺陷，勢必會造成整個濾網散架而引發事故，建議改進濾網型式（已與杭州汽輪機股份有限公司進行了協商，以后考慮改型），以延長濾網的使用壽命；在濾網改進之前，每年須對空壓機組汽輪機入口蒸汽濾網情況進行全面檢查（如裂紋情況、濾筒螺栓點焊部位情況等），并著色探傷合格后方可使用。