某鋼廠1#汽輪發電機組振動故障診斷分析

劉 健，賈維龍

（馬鞍山馬鋼華陽設備診斷有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

汽輪機在運行中承受較大的離心力，工作環境惡劣，經常會發生葉片斷裂和脫落等故障，汽輪機葉片損傷及導致二次損壞嚴重影響著發電機的安全穩定運行[1-2]。目前利用多種振動分析方法、結合汽輪機力學特性和監控診斷經驗等，仍是判斷汽輪機葉片斷裂的主要方法。

中國寶武馬鋼集團某鋼鐵廠1#汽輪發電機組，在運行過程中機組振動多次突然增大，特別是汽輪機驅動側瓦。通過一個多月的跟蹤測試診斷，判斷機組狀態由“注意”發展到“危險”狀態，主要故障為汽輪機轉子動平衡不良（檢修發現葉片斷裂）、發電機瓦存在缺陷。通過及時安排檢修，防止了故障繼續擴大，確保機組安全。

1 設備傳動結構簡圖與機組參數

設備由汽輪機和發電機組成，圖1 中1#、2#、3#和4#為瓦的編號。

圖1 汽輪發電機組傳動結構

設備生產廠家為南京汽輪電機（集團）有限責任公司，制造時間為2013 年，相關工作參數為：額定功率35 MW，轉速3000 r/min，額定電壓10.5 kV，額定電流2405 A，額定容量43.75 MV·A。

2 機組診斷分析

2.1 汽輪機與發電機瓦的振動偏大

2020 年5 月12 日20：39，機組1#～4#瓦出現了明顯的振動上升。隨即將負荷降至5 MW，各瓦振動有一定程度下降并保持基本穩定。5 月13 日3：09，將負荷升至7 MW，6：23，將負荷升至10 MW，此過程各瓦振動基本穩定；7：17，將負荷升至15 MW，振動有所上升，穩定負荷后，觀察振動變化情況。當日上午，馬鋼華陽設備診斷公司技術人員到達現場，對機組1#～4#瓦以及基礎部位進行振動測試，發現在各種負荷下汽輪機與發電機瓦的振動均偏大（表1）。

表1 5 月13 日機組振動速度有效值（2～1000 Hz）

從圖2 可以看出，汽輪機振動以50 Hz 為主，發電機振動以50 Hz、100 Hz 為主。根據以上信息結合診斷經驗初步判斷：①汽輪機轉子平衡精度差；②發電機前后瓦存在瓦間隙不良；③軸承座地腳螺栓振動分布不均勻，某些地腳螺算緊力不足。

圖2 5 月13 日機組振動頻譜

現場考慮到機組振動值始終偏高，認為滿負荷運行存在安全隱患，于17:35 機組停機。

2.2 對機組進行檢查和檢修

5 月14—17 日對機組進行檢查和檢修，主要內容有：對瓦面進行修刮；汽輪機與發電機中心復測；緊固發電機地腳螺栓、3#、4#瓦軸承座進。5 月19 日開機后，測試振動值見表2。將表1、表2 進行對比，發現機組振動無明顯改善跡象，說明隱患沒有真正消除。

表2 5 月19 日機組振動速度有效值（2～1000 Hz）

需要注意的是，5 月19 日汽輪機振動頻譜和波形沒有明顯變化，但是發電機頻譜除了50 Hz、100 Hz 振動較大，出現了間隔為12.5 Hz 的分頻振動，振動波形也與之前不同，出現了對應轉頻以及12.5 Hz 的沖擊（圖3、圖4）。這說明發電機振動狀態出現了變化，推測可能是發電機瓦間隙不良或瓦損傷等。汽輪機瓦振動也可見分頻振動的特點，但是其強度弱于發電機瓦，說明振動的變化主要來源于發動機一側。

圖3 5 月19 日機組振動頻譜

圖4 發電機驅動側瓦水平（3H）振動波形

2.3 對機組進行全面振動測試

5 月31 日，機組因發電機二極管故障停機處理。6 月1 日再次開機運行，開機后機組振動逐步變大。6 月3 日上午，對機組進行了全面的振動測試（表3）。6 月18 日晚，在線監控顯示2#瓦、4#瓦振動突然增大，隨后降低機組負荷，振動略有下降。6 月19 日上午對機組進行了全面的振動測試（表4）。

表3 6 月3 日機組振動速度有效值（2～1000 Hz）

表4 6 月19 日機組振動速度有效值（2～1000 Hz）

對比表1～表4 可知，進入6 月份以后，整機振動明顯增大，說明機組狀態存在持續惡化的趨勢，振動逐步發展到嚴重超標。汽輪機1#、2#瓦振動超過8 mm/s，發電機4#瓦軸向振動超過12 mm/s，機組處于“危險”運行狀態。

根據測試可知，5 月中旬機組振動增大后到6 月下旬一個多月來，整機振動出現逐步增大的趨勢；調整負荷，振動會發生變化；振動以50 Hz、100 Hz 為主，屬于普通強迫振動。5 月19日，發電機瓦振出現突然變化，沖擊振動明顯，存在大量分頻振動。特別是6 月18 日晚，汽輪機驅動側瓦振再次突然變大，同時發電機4#瓦振動也突然增大，機組振動波動大、無法滿負荷工作，最多只能上升到33 MW。

綜合分析認為機組處于危險狀態（“紅區”），存在重大隱患，判斷存在以下故障：

（1）汽輪機：①轉子動平衡精度差，葉片可能有損傷或存在動靜摩擦；②軸瓦間隙不良，或瓦與瓦座配合不良。

（2）發電機：①兩端軸瓦間隙不良，或瓦與瓦座配合不良；②非驅動側瓦基礎部位振動大，部分地腳螺栓緊力不足。

2.4 對機組從啟動至滿負荷進行監測

6 月23 日，某電科院對機組從啟動至滿負荷進行了監測，主要對機組啟動過程的軸振、瓦振數據進行測試分析。此次停機時間較短，為熱態啟機，最后負荷穩定在30 MW。

根據測試數據，在轉速3000 r/min 時發動機4#瓦軸振達到295 μm。負荷在30 MW 穩定后，各瓦振動值均較大，3#和4#瓦振動值分別為180 μm、440 μm，振動嚴重超標。因此，6 月24—25 日機組負荷只能維持在20 MW 以下。

2.5 測試結論

綜合以上多種情況下的測試和一個月來的跟蹤診斷分析，認為應該盡快安排檢修，建議：

（1）檢查汽輪機末級葉片狀況，校正汽輪機轉子平衡。

（2）檢查汽輪機軸瓦以及發電機軸瓦情況。

（3）檢查發電機非驅動側基礎螺栓緊力。

另外，6 月19 日至停機前，汽輪機瓦溫有升高現象。6 月26 日機組停機，因電氣需要進行匝間短路試驗，再次啟動時，升速至3000 r/min 時振動嚴重超標，已經超過軸振動探頭測量范圍，機組打閘停機，轉入檢修狀態。

3 檢修情況

（1）汽輪機第16 級有142 根葉片，檢查發現有5 根斷裂，其中約7 點鐘位置斷裂兩根、11 點鐘位置斷裂3 根（圖5）。根據端口、成分等數據判斷，某葉片出現疲勞和突然斷裂后，撞擊其他葉片并導致發生脆性斷裂故障。

圖5 汽輪機第16 級葉片斷裂

（2）汽輪機1#、2#瓦墊鐵脫空（僅20%接觸），2#瓦局部脫落、瓦面有擦傷，1#瓦基本正常。

（3）發電機3#、4#瓦嚴重剝落損壞（圖6）。

圖6 發電機瓦損壞

4 結論

葉片斷裂、脫落的典型特征是振動趨勢呈階躍式、無過渡過程，斷裂后的轉子動平衡精度破壞，振動特征表現為不平衡特征。通過在線振動趨勢并結合離線振動測試，可以看出振動突變基本是工頻能量的變化，葉片斷裂后繼而發生撞擊其他葉片，擴大事故程度。通過故障分析判斷，準確定位故障原因，避免事故繼續擴大，縮短檢修工期。