某汽輪機1瓦振動爬升原因分析及處理

魏曉東 李 峰 吳 韜 張艷紅 胥佳瑞

（1.大唐國際發電股份有限公司張家口發電分公司，河北 張家口 075131；2.中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100043）

1 機組概況

某發電廠2號汽輪機為東方汽輪機廠制造的N300-16.7/537/537型亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機。軸系由高中壓轉子、低壓轉子和發電機轉子3根轉子組成，各轉子均為雙支撐結構，1、2號軸承為可傾瓦軸承，3、4、5、6號軸承為橢圓軸承，軸系示意圖如圖1所示。2020年以來，2號汽輪機1瓦振動持續上漲；2023年3月，A級檢修期間發現高中壓轉子中壓第二級彎曲0.15 mm，為此，結合機組運行情況進行了分析。

圖1 汽輪發電機組軸系布置圖

2 振動概況

投產初期，機組首次揭缸檢查，查汽輪機高中壓轉子過橋汽封處軸彎曲0.50 mm。委托主機廠直軸處理，最終將彎軸值控制在0.03 mm。

2017年7月，機組第一次A級檢修，查汽輪機高中壓轉子過橋汽封處軸彎曲0.085 mm，將高中壓轉子返主機廠進行處理，扣缸前復測該處軸彎曲0.06 mm。返廠對中壓聯軸器外圓、端面、過橋汽封處進行車削處理，中低對輪重新鉸孔。修后升降速過程中，高中壓轉子過臨界振動比修前明顯下降很多。

2019年8月，1X、1Y軸振分別為138、95 μm。

2021年2月，1X軸振出現逐漸緩慢上漲趨勢，振動值上漲至170 μm，1Y軸振在90～100 μm。

2021年3月，利用停機機會在高壓轉子前軸封處加配重488 g，機組啟動后1X、1Y軸振分別為135、75 μm，且振動數值較為穩定。

2022年2月，1X、1Y軸振分別為160、85 μm。

2022年3月，在1瓦處單側加重690 g，1X、1Y軸振分別為92、60 μm。

2023年1月，1X、1Y軸振分別為110、69 μm。

1、2瓦振動發展情況如表1所示。

表1 1、2瓦振動發展情況

2021—2023年，機組歷次啟停機過程中一階臨界轉速下1、2瓦振動均偏大且有上漲趨勢，1X振動啟動過臨界時振動由101 μm逐漸升至201 μm，2X振動啟動過臨界時振動由110 μm逐漸爬升至139 μm；1X振動停機過臨界時振動由148 μm逐漸升至199 μm，2X振動停機過臨界時振動由86 μm逐漸升至129 μm。機組部分啟停機過臨界振動情況如表2所示。

表2 機組部分啟停機過臨界振動情況

本次解體后發現問題如下：

1）高中壓轉子彎曲。本次測量轉子彎曲最大值0.15 mm，彎曲相位1～7孔，最大彎曲點位于中壓第1級與第2級之間，彎曲值嚴重超標。

2）推力盤工作面瓢偏0.045 mm，非工作面瓢偏0.05 mm，高中壓轉子對輪端面瓢偏0.055 mm，均超設計值。

3）中壓1號隔板套右側4、5、6號螺栓斷裂，5、6號罩母有明顯磨損變形；左側4號螺栓斷裂，5號螺栓有明顯貫通裂紋；隔板套左側定位螺栓變形、磨損嚴重。具體如圖2所示。

圖2 隔板套、螺栓現場圖

4）中壓1、2級隔板汽封塊損壞，存在汽封齒磨損、斷裂現象，如圖3所示。

圖3 中壓隔板汽封塊現場圖

5）中壓通流軸向間隙超標。通流間隙測量中，中壓第1、2、3級軸向間隙不符合標準，共24個值，偏小1.51～3.95 mm。

6）中壓1號隔板套變形。中壓1號隔板套上半，背弧槽道至隔板套出汽側加工面距離超標，實測值最大334.92 mm（設計值330 mm），變形量4.92 mm。

7）中壓隔板變形量超標。中壓1、2、3級隔板變形量超標，相較上次檢修，中壓1級隔板變形量0.60 mm，2級隔板變形量1.28 mm，3級隔板變形量0.98 mm。

3 振動原因分析

由以上振動現象和解體結果分析可知，該機組振動存在以下特征：

1）機組啟動后低負荷至高負荷階段1瓦振動變化比較明顯，呈現出振動波動隨機組負荷變化的高度相關性；

2）機組運行中同等負荷下1瓦振動總體呈上漲趨勢，2021年3月和2022年3月兩次現場動平衡均有顯著效果，但隨運行時間增長振動仍持續升高；

3）歷次啟停機過程中一階臨界轉速下1、2瓦振動均有輕微上漲趨勢，且停機過程振動明顯高于冷態啟動時振動。

通過分析高中壓轉子振動特征和運行中的變化情況，認為該機組高中壓轉子存在如下問題：

1）1瓦振動與負荷有明顯關聯，一階臨界轉速時停機過程振動明顯高于冷態啟動時振動，可能是由于運行中高中壓轉子發生熱彎曲。熱彎曲主要由轉子材質不均勻引起，材質不均勻是由轉子鍛件內部存在氣隙、夾雜、鼓泡等因素導致轉子徑向纖維組織不均勻，使材料的物理特性存在各向異性。對于高中壓轉子來說，在機組升負荷過程中轉子溫度升高產生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉子發生熱彎曲，導致不平衡量增大，表現為升負荷過程中振動增大，一階臨界轉速下停機過程振動明顯高于冷態啟動時振動。

2）1瓦振動總體呈上漲趨勢，啟停機過程中一階臨界轉速下1、2瓦振動逐次上漲，重點懷疑高中壓轉子產生永久彎曲。從運行角度分析，當發生嚴重碰磨、進水等故障時，在轉軸上會殘留較大的內應力，當內應力引起的轉軸變形量超出材料的屈服極限時會導致轉軸發生永久彎曲；另外，轉子殘余應力過大，在機組運行過程中逐漸釋放，殘余應力的釋放也會使轉子發生彎曲變形。從機組2019年以來歷次啟停機運行情況看，轉子彎曲和變形是逐步發展的，可排除發生嚴重碰磨、進水等故障的可能性，結合該轉子于2016年7月檢修期間曾因高中壓轉子過橋汽封處軸彎曲返廠進行車削處理，故判斷可能是因殘余應力過大引起永久彎曲[1]。

4 處理情況

對高中壓轉子進行返廠檢查：

1）拆卸主油泵轉子，按照工藝流程對主油泵轉子做檢查、處理和整定實驗；

2）對轉子做外觀目視檢查，準確記錄較大磕碰、拉毛和損傷情況，對兩端軸徑做磁粉探傷檢查，記錄檢查結果；

3）按照高中壓轉子總圖檢查轉子跳動及晃動，檢查各級軸向開檔尺寸，重點對中壓1～3級及對輪進行檢查，記錄檢查結果；

4）以最小量車削去除高點，修復轉子徑向跳動，修復推力盤及徑向晃動，修后對各處加工部位做PT檢查確認無缺陷，記錄修后跳動檢查數據及各修復部位車削量；

5）轉子進行高速動平衡檢查。

對1號隔板套進行外觀檢查、中分面間隙檢查、變形檢查后進行返修。

2023年3月28日，機組A修完成后啟動，高中壓轉子軸承振動達標，機組并網運行中振動數值穩定，如表3所示。

表3 機組啟動后振動情況單位：μm

5 結論與建議

1）機組運行中未發生超速、超溫超壓、嚴重碰磨及進水等異常工況，轉子發生永久彎曲可能為金屬殘余應力所致，引起振動隨運行時間的延長而持續增長和一階臨界轉速下振動增大[2]。

2）轉子材質組織不均勻導致轉子高負荷時產生一定的熱彎曲，引起振動隨負荷升高而增大，熱態停機時一階臨界轉速下振動明顯高于冷態啟動時。

3）轉子存在一定的永久彎曲，同時存在一定的熱彎曲，二者疊加導致振動加劇。2016年7月因高中壓轉子過橋汽封處軸彎曲返廠進行處理，而轉子殘余應力的釋放過程非常緩慢，現場很難確定殘余應力是否完全釋放，故處理手段應以現場動平衡為主，視振動發展情況決定是否返廠處理[3]。