聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機液壓螺栓螺母脫落事件分析和處理

王慶韌， 甘 地

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司 廣東省燃氣輪機發(fā)電工程技術研究中心， 廣東 惠州 516082)

某電廠一期工程3×390 MW級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組(#1～#3機)采用單軸布置方式，轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器通過螺栓和螺母剛性聯(lián)接，歷次檢修中均出現(xiàn)螺栓拆卸困難甚至咬傷以及螺孔拉毛等問題。基于煤電、核電、水電機組方面的經(jīng)驗[1-5]，擬更改成液壓螺栓聯(lián)接。在二期工程3×460 MW級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組(#4～#6機)建設中，聯(lián)軸器直接改用液壓螺栓聯(lián)接(全周共12孔，圖紙編號#1～#12)，投產(chǎn)2 年后出現(xiàn)了液壓螺栓螺母脫落導致軸承蓋振異常偏大事件。

查閱國內(nèi)文獻，常規(guī)火電、核電、水電機組曾發(fā)生過聯(lián)軸器螺栓斷裂事故，但多為普通的螺栓與螺母聯(lián)接[6-9]；另外一些文獻雖然涉及液壓螺栓但為船用[10-12]。本次事件較為罕見：①發(fā)生于聯(lián)合循環(huán)機組；②發(fā)生于兩班制運行方式；③液壓螺栓并非斷裂而是螺母脫落。

1 事件發(fā)生

3×460 MW級聯(lián)合循環(huán)機組采用分軸布置形式，燃氣輪機及其發(fā)電機構成燃氣輪機發(fā)電機組，汽輪機和發(fā)電機構成汽輪發(fā)電機組。汽輪發(fā)電機組的軸系支承在6個軸承上。其中#1、#2軸承位于高、中壓缸(合缸)，#3、#4軸承位于低壓缸，#5、#6軸承位于發(fā)電機，每個軸承X、Y方向設置1 個軸振測點及1 個蓋振測點。

1.1 蓋振大報警發(fā)生

某機組在較長時期的連續(xù)運行后按計劃改為兩班制運行，汽輪機在啟動過程中沖轉(zhuǎn)至2 936 r/min時控制系統(tǒng)發(fā)出#3、#4軸承蓋振大報警。

1.2 振動特征分析

查看實時振動曲線，#3軸承蓋振由25 μm快速增大至96 μm，#3X軸振由28 μm快速增至83 μm，#3Y軸振由20 μm增至27 μm；#4軸承蓋振由19 μm快速增至83 μm，#4X軸振由23 μm增至55 μm，#4Y軸振由15 μm增至28 μm。#5、#6軸承軸振均有增大，但增幅沒有#3、#4軸承軸振的增幅大。

1.3 振動趨勢分析

提取相關運行參數(shù)形成散點圖，對比發(fā)現(xiàn)#3、#4軸承蓋振大幅增大，DCS顯示值已達100 μm，邏輯中該類測點的測量上限為100 μm，故當時實際蓋振數(shù)值可能已超過100 μm；#1、#2、#5軸承的蓋振雖絕對數(shù)值很小，但與以往相比，有1倍以上的增幅；#3～#5軸承軸振明顯增大。

1.4 振動真實性判斷

因為各軸承蓋振與軸振幾乎同步發(fā)生異常，所以初步判斷振動是真實發(fā)生的，不是熱工測量故障引起的。

1.5 振動真實性確認

因為振動上升至一定高點后基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)，未到達跳機值，加之電網(wǎng)負荷需求大，所以沒有立即停機。其間，用便攜式測振儀測量，確認振動異常偏大是真實發(fā)生的。

2 原因排查

2.1 初步排查分析

基于經(jīng)驗，振動異常上升，常常預示著以下情形[13-24]：汽缸內(nèi)部出現(xiàn)異常，如大軸彎曲、部件脫落、動靜部件間碰磨、氣流激振；軸承自身發(fā)生故障，如軸承座剛性及基礎變差、聯(lián)軸器螺栓與軸承壓蓋的緊力間隙出現(xiàn)問題激發(fā)了油膜振蕩；外圍設備設施出現(xiàn)了影響汽缸及軸承自身功能完整性的重大不利因素。因此，在機組運行狀態(tài)下，緊急進行了初步排查。

1) 檢查外圍設備設施，如汽輪機及相應發(fā)電機等設備基礎的沉降情況，汽輪機及相應發(fā)電機等設備基座支撐情況，與汽輪機相連的汽水管道、閥門、支吊架，等。結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常。

2) 排查軸承自身故障。因為各個軸承的振動均有增大，軸承本身同時出現(xiàn)故障的概率極小。檢查各個軸承的進、回油(潤滑油)溫度，均正常，因此第一時間排除了油膜振蕩原因。檢查各軸承外部設施，未發(fā)現(xiàn)異常。

3) 排查汽缸內(nèi)部。走近汽輪機小間，明顯聽到低壓缸內(nèi)部以及凝汽器內(nèi)部的上方有顯著異響聲，似乎是發(fā)生了汽阻，引發(fā)了類似于風機喘振的現(xiàn)象。其中，低壓缸內(nèi)部以及凝汽器內(nèi)部的上方靠近#4軸承的區(qū)域異響聲最大，手感振動也最大，因此初步懷疑發(fā)生了汽流激振。

4) 嘗試用聽針探查缸內(nèi)有無部件松脫或碰磨聲，結(jié)果受異響聲妨礙聽不清楚，暫不能排除缸內(nèi)部件脫落或動靜部件間發(fā)生碰磨的可能。

5) 核查大軸差脹、軸向位移等參數(shù)，均正常，說明大軸發(fā)生彎曲的可能性很低，除非有疏水閥之類的個別設備被誤打開而產(chǎn)生急冷，造成大軸彎曲。繼而排查各種疏水設備設施，未見異常，從而排除了大軸發(fā)生彎曲，降低了動靜部件間發(fā)生碰磨的可能性。

6) 動平衡數(shù)據(jù)分析。臨時安裝實時振動監(jiān)測系統(tǒng)，提取實時數(shù)據(jù)發(fā)給燃氣輪機供應商診斷，未見相位有變化，說明軸系動平衡正常，這表明缸內(nèi)發(fā)生較重的轉(zhuǎn)動部件松脫的可能性為零。

2.2 盤車狀態(tài)下的全面排查與分析

由于引發(fā)氣流激振的原因很多，如凝汽器內(nèi)部各種噴水減溫噴頭斷裂、低壓缸內(nèi)大量漏汽等。因此，需要在盤車運行狀態(tài)下采取相應檢查措施來進一步確認。

排查外圍設備設施包括低壓外缸的地腳螺栓、各軸承座地腳螺栓的緊固情況和#3、#4軸瓦的滑銷系統(tǒng)，均未發(fā)現(xiàn)異常。

排查軸承自身故障。盤車狀態(tài)下，汽缸內(nèi)溫度仍然很高，軸承間隙、瓦枕接觸情況、聯(lián)軸器螺栓情況均無法深入檢查，只能繼續(xù)目視檢查，仍未發(fā)現(xiàn)異常。

打開低壓缸人孔門(觀察孔)與凝汽器人孔門進行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)蒸汽有內(nèi)、外漏痕跡，噴水減溫噴頭無斷裂等異常現(xiàn)象。目視檢查低壓缸可見部分，未發(fā)現(xiàn)明顯的拉筋裂紋、支撐管脫焊等情況，末級葉片及葉根銷子也無異常，用小錘敲擊低壓內(nèi)缸中分面螺栓，無松動。僅發(fā)現(xiàn)低壓下內(nèi)缸與低壓下外缸連接螺栓墊片松動，經(jīng)廠家確認為預留的膨脹間隙，對比#4機、#5機，初步判斷無影響。清理檢查凝汽器底部，無任何可疑脫落物，說明異物脫落砸傷凝汽器鈦管導致水汽泄漏、混雜引發(fā)汽阻甚至汽流激振的可能性基本排除。

用聽針探查各個軸承及汽缸內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)異常跡象，但這也可能是機組轉(zhuǎn)速太低的緣故，所以還是無法徹底排除缸內(nèi)部件發(fā)生脫落或動靜部件間發(fā)生碰磨的可能性，需要揭缸檢查確認。

為保險起見，打開低壓缸兩側(cè)人孔門，觀察平衡塊的位置，查看是否有平衡塊(指低壓轉(zhuǎn)子正、反第六級平衡塊)脫落或明顯松弛現(xiàn)象，結(jié)果顯示無異常，進一步排除了動平衡問題。

2.3 預判揭低壓缸檢查結(jié)果

盤車狀態(tài)下能做的檢查做完后，原因仍不能確定，需要等待盤車完全具備停止條件才能依次檢查下列項目：揭開軸承箱護罩檢查；揭開軸瓦檢查；揭開低壓缸檢查。

以上3個檢查項目在檢修工期與檢修組織安排上相差很大，所以在盤車尚未具備完全停止之前，預判低壓缸內(nèi)部通流間隙的變化情況很有必要。

方法一，采用國內(nèi)通行的低壓缸特征通流面積法[25-31]。以#6機汽輪機作為對比，以相近環(huán)境條件為基礎，按供熱連續(xù)運行及兩班制運行兩種方式分別計算，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。

方法二，采用燃氣輪機供應商推薦的汽缸進汽流量-進出口壓差算法。該計算方法更為精確。計算結(jié)果顯示#4機低壓缸通流部分未發(fā)生異常。

有鑒于此，決定按順序開展以上3個檢查項目，若前一個檢查項目仍未發(fā)現(xiàn)問題所在，則繼續(xù)下一個檢查項目。

2.4 停機檢修狀態(tài)下揭開軸承箱護罩檢查

當汽輪機高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級金屬溫度降至150 ℃以下時，停止盤車。

移開盤車裝置，揭開軸承箱護罩，發(fā)現(xiàn)汽輪機低-發(fā)聯(lián)軸器液壓螺栓的#3孔汽側(cè)螺母脫落。脫落的螺母直接撕開聯(lián)軸器護罩。護罩與脫落的螺母劇烈碰撞導致彼此受損嚴重，護罩中分面固定螺栓直接被拉斷(圖1)，護罩拉裂(圖2)，軸承箱內(nèi)遍布鐵屑(圖3)，與脫落的螺母位于同側(cè)的聯(lián)軸器部分螺孔有損傷(圖4)，脫落螺母的螺栓也有損傷(圖5)。

圖1 拉斷的護罩底部固定螺栓

圖3 掉落的螺母和遍布軸承箱的鐵屑

圖4 受損的螺栓孔

圖5 脫落螺母的螺栓

2.5 事件原因分析

直接原因。通常液壓螺栓的螺母脫落后，會導致聯(lián)軸器質(zhì)量失衡，使軸系動平衡出現(xiàn)問題，振動相位會發(fā)生明顯變化。本事件中因為液壓螺栓的螺母脫落后剛好卡在特定位置并未與聯(lián)軸器分開，所以質(zhì)量失衡不明顯、軸系動平衡未有明顯惡化。通過排查分析，排除了大軸彎曲、缸內(nèi)部件脫落或動靜部件碰磨、汽流激振、軸承故障等因素，綜合推斷液壓螺栓的螺母脫落是引發(fā)軸承蓋振大的直接原因。

間接原因。回顧基建安裝與調(diào)試過程，檢查機組計劃性檢修情況，從中發(fā)現(xiàn)2 個問題：①輕忽了基建與生產(chǎn)檢修過程中對液壓螺栓的施工質(zhì)量把控；②對液壓螺栓的到貨質(zhì)量驗收、安裝與檢修施工工藝等技術標準掌握不夠。這些都影響了液壓螺栓的安全運行性能，是導致螺母脫落并引發(fā)軸承蓋振大的間接原因。

根本原因。借鑒文獻[32-35]并結(jié)合實際，本次液壓螺栓螺母脫落的根本原因主要聚焦于安裝工藝和設計制造，其次是兩班制運行方式。

1) 安裝工藝。該液壓螺栓由錐套、螺桿、螺母組成。錐套的內(nèi)表面和螺桿的外表面制成相同的錐面，施加軸向力后，螺桿在錐套內(nèi)移動，使錐套徑向膨脹；移動到設計位置后，去掉高壓油，錐套膨脹緊壓在螺孔內(nèi)；拉伸螺桿到標準長度，旋緊兩側(cè)螺母，利用螺母與聯(lián)軸器表面的摩擦力和螺孔與液壓螺栓之間的剪切力來傳遞扭矩。據(jù)上次檢修記錄，該螺栓有符合標準的伸長量，可以排除漏緊的可能性；因為#3液壓螺栓可能為安裝時預緊的第一個螺栓，在全周螺栓緊固完成后，該螺栓緊力減小，從而發(fā)生一定的松弛現(xiàn)象，長時間運行后，螺母飛脫；液壓螺栓安裝工具中的拉環(huán)(預緊環(huán))和油缸(液壓拉伸器)之間沒有定位結(jié)構，拉環(huán)可能和螺母接觸并產(chǎn)生干涉并在加壓后卡住，因此，可能存在螺母和拉環(huán)卡住，但操作人員沒有察覺從而誤判螺母已經(jīng)預緊到位，長時間運行后該螺栓松弛，螺母飛脫。

2) 設計制造。對比同期進行的#5機檢修，其聯(lián)軸器液壓螺栓有11顆無法正常拆出。強行拆出后出現(xiàn)了螺栓孔拉毛，需鉸孔處理。仔細檢查發(fā)現(xiàn)，該液壓螺栓存在以下問題：①錐套的壁厚過于單薄，僅約2 mm，其自身強度過低，更容易變形。假設螺栓孔的圓度為0.02 mm、錐套的圓度也是0.02 mm，此時錐套與螺栓孔的間隙就與設定值存在0.04 mm的最大偏差，因此，從圓周來看，脹緊后錐面的接觸應力是不均勻的。使用注油法拆卸時，油液肯定會從應力小的地方率先滲透出去。同樣大的脹緊力，壁厚越厚的錐套，變形消耗的力越大，因此錐套與螺栓孔之間的應力就越小，從而螺栓孔與錐套的圓度誤差帶來的應力不均勻度就越小，注油法拆卸的成功率就更高。②間隙及脹緊力不合理。該型液壓螺栓給定的裝配間隙為0.02～0.05 mm。螺栓孔與錐套本身都存在加工誤差，如果螺孔之間還存在錯位，此時就十分難裝配。并且，此型液壓螺栓給定的脹緊壓力范圍大(19.6～37.5 MPa)，每0.01 mm的增量對應的脹緊壓力就大幅度上升，因為測量誤差的存在，導致脹緊力不易受控，可能存在較大的誤差。③該型號液壓螺栓與拉桿采用的是直螺紋連接，并且把注油法拆卸的接口做在拉桿上。這樣旋合螺紋就需要旋轉(zhuǎn)所有旋合牙數(shù)的圈數(shù)，并且注油法拆卸需要一定的預緊力，拉桿與螺栓容易卡住。如果采用錐螺紋，旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)不僅減少，還能保證螺栓危險截面的強度。

3) 兩班制運行方式。二期工程竣工投產(chǎn)后，受階段性供熱負荷所限，通常2 臺機組兩班制運行、1 臺機組供熱連續(xù)運行，3 臺機組在兩班制運行方式與供熱連續(xù)運行方式之間進行定期或不定期輪換，以實現(xiàn)優(yōu)化和靈活調(diào)度并提高電力市場現(xiàn)貨交易模式下的企業(yè)效益。這種兩班制運行方式加劇了液壓螺栓的應力松弛，是液壓螺栓螺母脫落并引發(fā)軸承蓋振大的次要原因。

3 事件處理

3.1 處理方案

因為時間上不允許，暫不考慮對液壓螺栓設計制造方面進行技術改進，主要針對安裝工藝進行改進并對脫落的螺栓進行更換。

對振動偏高的#3、#4軸承揭開軸瓦檢查。對相鄰的#5軸承進行預防性的揭開軸瓦檢查。

3.2 檢查軸瓦

為防止軸振偏大造成軸瓦烏金產(chǎn)生隱性裂紋，對上述軸承的瓦塊進行滲透檢查和超聲波檢查。對軸瓦的頂隙、緊力、側(cè)隙等數(shù)據(jù)進行復核。對損傷的螺孔進行打磨圓滑過渡處理。檢查完畢后，將軸瓦回裝到位。

3.3 新螺栓安裝

安裝前檢查#3孔徑，實測值為54.48～54.49 mm，錐套加工尺寸為54.45 mm，間隙為0.03～0.04 mm，符合廠家技術標準。

安裝時按照圖紙要求錐套緊力為31 MPa，實際上次新螺栓以螺桿不能轉(zhuǎn)動為準，初次緊力為30 MPa，然后增加10 MPa，進行第二脹緊，實際緊力為40 MPa，螺桿拉伸力相應增加到77 MPa(圖紙要求75 MPa)。

3.4 螺栓配重

核對技術要求，各組螺栓重量差不大于3 g。

3.5 螺栓伸長量復查

為了保證所有液壓螺栓都在受力狀態(tài)，不會再出現(xiàn)脫落的情況，本次對所有螺栓進行了液壓拉伸復查，保證最終所有螺栓緊力均為77 MPa。

3.6 油沖洗

由于液壓螺栓的螺母脫落并與聯(lián)軸器護罩碰磨出較多的鐵屑，因此對汽輪機潤滑油、頂軸油系統(tǒng)進行放油、清理，更換油濾，然后對所有軸瓦加裝沖洗濾網(wǎng)進行大流量沖洗。

3.7 處理效果驗證

檢修完成后，重新開啟機組，進行試運行及燃燒調(diào)整，軸振、蓋振均在合格范圍內(nèi)。

后面，利用機組自然調(diào)停機會，復檢液壓螺栓，情況良好。

4 改進建議

4.1 安裝工藝改進及預防措施

1) 將安裝工序控制要求列入基建期安裝工程施工以及生產(chǎn)期檢修工作技術交底內(nèi)容中。

2) 加大對一線工程施工人員、檢修人員的技能培訓。

3) 加強基建期安裝工程施工以及生產(chǎn)期檢修工作的全過程質(zhì)量控制與驗收。

4.2 產(chǎn)品設計制造改進建議

1) 安裝前按技術要求處理螺栓孔。

2) 拉桿與螺栓采用錐螺紋連接。

3) 設計防松結(jié)構。

4) 適當增加錐套厚度。

5) 重新設計裝配間隙和緊力。

4.3 進一步提升事件排查的效率與準確性

影響軸系振動的原因眾多而繁雜，事件排查過程中需不斷修正某些判斷方向、澄清某些現(xiàn)象。排查過程中應注意實施多方向、多點測量。

5 結(jié)語

檢修后的長期運行表明，液壓螺栓的螺母脫落并卡在特定位置是引發(fā)軸承蓋振大的初始原因和直接原因。因此，嚴格把控液壓螺栓緊力尤為重要。

期望本文能為采用同類液壓螺栓的機組提供借鑒，建議開展必要的預防性檢查。