供热汽轮发电机组转子弯轴事故的分析及处理

2013-01-22谷志德李恒海王宏伟

大电机技术 2013年5期

谷志德，李恒海，王宏伟

（1. 甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州 730050；2. 华电电力科学研究院，杭州 310030）

前言

某厂一台 50MW 供热式汽轮发电机组轴系由高、低压转子，发电机转子以及 5个支持轴承组成。高、低压转子采用三支撑方式，发电机转子为两轴承支撑，转子之间均为刚性连接。该机组轴系支承示意图如图 1。在一次大修结束后的冷态开机过程中汽轮机转子发生了动静碰摩。机组停机冷却后揭缸测量，高压转子最大弯曲达到了0.13mm。通过对运行数据的分析，认为主要是由于高压缸上、下缸温差过大造成了动静碰摩，进而发展为转轴弯曲。现场进行了高压转子直轴处理、高低压转子低速动平衡及高压转子联轴器端面瓢偏修复。各项工作结束后，机组起动过程及带负荷工况下，各轴承振动值达到了优秀水平。

图1 机组轴系支承示意图

1 事故过程

该机组在一次大修结束后的冷态开机过程中，在暖机转速时，机组各轴承振动均在 30μm 以内；通过临界转速时，高、低压转子1号、2号、3号轴承振动分别达到 55μm、120μm、140μm。通过临界转速后，各轴承振动下降。当转速升至 2500r/min后，1号、2号轴承振动再次快速上升，升速至 3000r/m定速时，高压转子 2号轴承振动达到 90μm。升速过程中, 机组高压缸上、下缸温差由中速暖机时的 33℃逐渐上升至80℃。定速十分钟后，2号轴承振动降至 40μm，开始进行电气试验。随着电气试验的进行，高压缸上、下缸温差继续上升至 85℃，2号轴承振动最大上升至140μm 且有继续上升的趋势。运行人员紧急打闸停机。停机过程中，2号轴承振动最大达到400μm。

2 转子测量和检查情况

机组停机冷却后揭缸检查高、低压转子，发现高压转子前轴封第二组处有明显的摩擦痕迹，转子宏观检查未见明显损伤，摩擦部位表面无裂纹，经用HL—D型硬度测试仪测量，布氏硬度为195～235，与未摩擦部位相比没有明显变化。

测量前首先在高压转子靠背轮处作了永久性等分记号，将转子圆周方向8等分。按照转子轴向布置6～8块千分表测量，测量位置事先用砂纸打磨光洁，保证测量的准确性。同时在推力盘处水平对称布置两块千分表，用于校核转子弯曲数值和方向。各表计经检查、确认完好。装好之后，盘动转子检查，每转一圈表针都能回到起始点后开始测量。为了检验测量数据的可靠性，对高压转子以上位置进行了第二次测量，测量数值与第一次测量数值基本一致。高压转子弯曲测量示意图见图2，转子弯曲测量数据见表1。

图2 高压转子弯曲测量示意图

表1 高压转子弯曲测量数据（单位：mm）

通过表1可以看出，高压转子前轴封第二组处（千分表4）位置弯曲值最大，达到了0.13mm，高点位置为A点位置。通过推力盘位置的两块表数值确认推力盘瓢偏绝对值也为0.13mm。测量高压联轴器端面瓢偏绝对值为0.14mm。

对低压转子进行测量后确认无弯曲情况。

3 事故原因分析

为分析事故原因，对相关运行参数进行分析，发现机组冷态启动过程中出现的主要参数异常现象是高压缸上、下缸壁温差超限值。

文献资料[1, 2]表明，当上、下缸壁温差过大时，会发生动静之间的碰摩，引起转轴弯曲。

一般情况下，高压缸上、下缸壁温存在差别，造成了上、下汽缸的膨胀程度不同。上、下汽缸的温差越大，膨胀差异程度就越大。当上、下缸壁温差较大时，就会造成汽缸弯曲，使汽封间隙减小。若上、下缸壁温差继续增大甚至超限时，汽封间隙就会进一步减小或消失，引起动静碰摩。在转轴与汽缸静止部分发生碰摩时，由于相对摩擦的作用，碰摩部位的局部温度很高，并且温度上升也很快，转子上以碰摩部位为中心的区域温度梯度很大，局部材料受热膨胀，产生极大的热应力。在碰摩快速发展过程中，当热应力超过该温度下的材料屈服强度极限时，会使转轴表面材料组织发生压缩性塑性变形，温度均匀之后，使得转轴呈现向碰摩部位一侧的永久弯曲[3]。

该机组冷态启动升速过临界时，2号、3号轴承振动超过规定值，本应停机处理，但运行人员却强行通过，强烈的振动可能已使转子与汽缸间发生径向碰摩。随着转速的升高，高压缸上、下缸壁温差也逐渐增大，运行人员未设法解决上、下缸壁温差大的问题，仍继续提高机组转速，导致上、下缸壁温差超出设计限值很多，增大了发生动静碰摩的机率。当机组定速后，2号轴承振动波动幅度达50μm，机组已发生明显的碰摩，此时上、下缸壁温差超出限值30℃，却仍坚持运行；之后的一段时间，2号轴承振动快速上升，表明动静碰摩已经进入中期阶段；在紧急停机通过临界时，2号轴承发生强烈振动，进一步加剧了动静碰摩，最终导致转轴弯曲。

4 事故处理措施

4.1 转子校直处理

根据我们的经验，当转子永久弯曲大于 0.06m时，仅采用动平衡的方法不仅难以完全抵消弯曲对振动的影响，还会影响动静间隙的调整。因此，应先用校直的办法对弯曲转子进行处理。

受抢修工期影响，此次转子校直工作在检修现场进行。由于高压转子弯曲值相对较小，转子直径相对较细，结合转子材质，决定采用局部加热法对转子进行校直。在轴的弯曲高点局部急剧加热，加热部位金属纤维将随温度升高而膨胀，但受到四周冷金属纤维的阻止，使加热部位金属产生压应力，在一定温度下，此应力超过金属屈服点，在金属内产生残余变形，冷却后向原弯曲部位的相反方向弯曲，使弯曲高点消失[4]。

转子校直时，烧口局部加热温度约 650℃，加热结束后先保温一定时间后，然后再自然降温，待转子完全冷却后在汽缸内再次进行了转子弯曲值的测量（测点位置与直轴前一致），测量结果见表2。由表2可以看出，转子校直后原弯曲位置（千分表4）弯曲值由原来的 0.13mm下降至 0.035mm，能够满足机组正常运行要求。复测高压联轴器端面瓢偏为 0.12 mm。由于转子弯曲状况改善后，与校直前相比基本没有发生变化。这表明，高压转子联轴器端面瓢偏不是由于转子弯曲造成的，而是联轴器自身的原因。

表2 转子校直后弯曲测量数据（单位：mm）

4.2 转子低速动平衡

考虑到高压转子经转子校直后仍可能残存较大的不平衡质量，此次启动过程中低压转子过临界及工作转速下的振动也较大，决定在现场对高、低压转子进行低速动平衡。

低速动平衡装置为胶皮垫式弹性低速动平衡台，脱扣装置为电机停运自动脱扣。转子止推装置为稀油润滑[6]。拖动方式为变频电机拖动。转子惰走过程中的测振采用两面轴承顶丝全松方式。

此次采用的变频电机拖动方式与以往的交流电机拖动方式相比，优点是可以选取多阶平衡转速，缺点是起动转矩较小，启动时需借助外力助推转子。

为了提高低速动平衡精度，两根转子的动平衡均采用测相法[7]。测振传感器为美国本特利公司生产8mm电涡流传感器，测取转子两个轴承处的的轴振；测相采用光电传感器。

为降低高、低压转子在一阶临界转速及工作转速下可能存在的质量不平衡，此次低速动平衡分别进行了两个转子的一阶、二阶临界转速的平衡工作。

在现场平衡台上，高压转子一阶临界转速为144r/min，二阶临界转速为224r/min；低压转子一阶临界转速为174r/min，二阶临界转速为261r/min。

表3为高、低压转子低速动平衡过程中的数据。可以看出，经过低速动平衡后，两个转子在一、二阶临界下的轴振动水平大幅度降低，表明两个转子的质量不平衡状况得到极大改善。

4.3 高压转子联轴器端面瓢偏的修复

在联轴器的制造、安装及使用过程中可能产生一定程度的端面瓢偏，只要瓢偏值在规定范围内，就可以不作处理。如果联轴器端面瓢偏过大，在高低压转子连接后将改变各轴瓦的载荷分配，使转子静挠曲发生变化，使原来调整好的汽封、油挡间隙发生变化，严重时会发生动静碰摩；还会影响转子支承状态，使转子振型曲线发生一定的变化，从而影响转子在高速运行时的振动[5]。因此，当转子联轴器端面瓢偏超出规定值时，需要对转子联轴器端面瓢偏进行修复。

由于该机组高压转子联轴器端面瓢偏值严重超标，必须进行修复。采用标准平板修刮等检修工艺，将该机组高压转子联轴器的端面瓢偏由原来的 0.12 mm修复为0.03mm，达到了制造厂的相关要求。高低压联轴器连接后去掉高压转子低压侧假瓦，测量高压转子圆周跳动，最大位置为高压转子后轴封处，数值为0.11mm，在检修规程要求范围内。

表3 高、低压转子低速动平衡数据表

5 处理后的效果

抢修结束后，机组启动。整个启动过程很顺利。升速过临界转速时，各轴承振动均不超过 50μm；3000r/m 定速及带负荷时，各轴承振动不超过 15μm。超速试验过程中各轴承振动均小于15μm。各工况机组轴承振动值，均低于制造厂的规定值，具体数据见表4。之后，经连续一个月的考核运行，高低压转子各轴承振动及波动幅度均正常，机组振动趋于稳定。