汽轮机组试车期间常见故障分析

韩斌

摘  要：结合生产实际情况，针对汽轮机组在试运行中出现的振值高、噪音大、轴封疏水多、转子自转等现象，进行综合分析，对可能出现的转子动平衡不良、转子不对中、缸体疏水不畅、乏汽管道/膨胀节焊缝有裂纹、主蒸汽管道有应力、轴封汽带水、真空高等相应的故障进行诊断，及时判断和排除影响机组稳定运行的各种因素。

关键词：转子自转;振值高;噪音大;轴封疏水多;不平衡

中图分类号：TM311 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0043-02

Abstract： Combined with the actual production situation， in view of the high vibration value， loud noise， more shaft seal drainage， rotor rotation and other phenomena in the trial operation of the steam turbine unit， a comprehensive analysis is carried out. The possible problems such as poor dynamic balance of the rotor， misalignment of the rotor， poor drainage of the cylinder block， cracks in the welds of the exhaust pipe/expansion joint， stress in the main steam pipe， water in the gland seal steam， vacuum and so on are corresponding so as to diagnose the faults， and judge and eliminate the factors that affect the stable operation of the unit in time.

Keywords： rotor rotation; high vibration value; high noise; more shaft seal drainage; imbalance

1 概述

汽轮机在石油化工行业中应用广泛，但因其系统的复杂性，产生振动的原因多种多样[1]。造成新汽轮机组运行中振动大、噪音大等因素有：转子不平衡，轴系不对中，基础松动，转子磨损，机组装配尺寸不当，机组配管存在外应力等，既影响设备的寿命又影响生产效率。这里就某化工厂甲烷化装置I系列天然气压缩机组驱动汽轮机试车期间出现的振动高，噪音大进行分析诊断，对处理过程进行经验交流。

2 设备简介

本天然气压缩机组由2BCL458压缩机+HNK25/36/0型凝汽式汽轮机组成，汽轮机主要参数：进汽压力8.9MPaA，温度510℃，额定转速11500r/min。凝气系统由凝汽器、射汽抽气器、凝结水泵、排气安全阀等设备组成。由图1可知，本机组由汽轮机拖动，采用一拖一形式，汽轮机为单出轴。

3 设备故障特征

2019年10月25日，汽轮机单试前进行拉阀试验，当调节汽阀行程到50%，汽轮机转子突然自转（正转），现场检查确认主蒸汽阀关闭，调节汽阀前无压力。

汽轮机第一次冷态启机，转速升至9000rpm时，进汽侧径向轴承瓦温（TISA801/TISA802）升高至84.37℃/60.44℃，排汽侧轴振动（VIA803/VIA804）为35um/27um;随着转速逐渐升高，轴振动亦升高，转速达到11000rpm进汽侧径向轴承瓦温（TISA801/TISA802）升高至93.7℃/66℃，排汽侧轴振动（VIA803/VIA804）升高至62.38um/53.27um;同时现场技术人员发现汽轮机排缸侧轴封疏水量大，排缸侧声音闷沉。

待汽轮机缸体冷却后对前、后径向轴瓦及缸体疏水管线进行检查，处理情况如下：

（1）前径向轴承下瓦接触不完全，前径向轴承下瓦进行刮研，并开油楔。

（2）汽轮机缸体疏水管线排查，管线通畅。

（3）修磨后径向轴承瓦枕调整垫，上轴瓦增加0.05mm铜垫，后径向轴承间隙由0.30mm调整为0.24mm（安装标准0.188～0.307）。

（4）增大后轴封疏水孔直径。

为更好的诊断汽轮机振动高的原因，现场进行机组在线状态监测，运行数据采集。

汽轮机第二次启动转速升至9000rpm时，进汽侧径向轴承瓦温（TISA801/ TISA802）升高至82.48℃/58.06℃，排汽侧轴振动（VIA803/VIA804）为31.4um/24um;转速达到11000rpm进汽侧径向轴承瓦温（TISA801/TISA802）升高至90.7℃/63.3℃，排汽侧轴振动（VIA803/VIA804）升高至62um/53.1um;同时现场技术人员发现汽轮机排缸側轴封疏水量大，排缸侧声音闷沉。

根据两次汽轮机运行数据显示，每当机组转速升至8000rpm以后，VIA803/VIA804振动值随转速升高逐渐增大。

4 数据采集、故障分析诊断

4.1 静态调试期间转子自转

运行分析：现场轴封汽进汽量大（轴封排汽管大量白雾冒出），汽轮机真空度高（达到0.1MPaG），速关阀及暖管放空阀全开。

分析结果：在调节汽阀行程测试时，汽轮机进汽口通过暖管放空管线与大气连通，轴封汽量大，真空度高，造成转子自转。

4.2 汽轮机振动大

频谱分析1：根据波形频谱图显示，自振动趋势增大开始，谐波能力主要集中在转子的工作频率（1X）上，其占主导地位，并伴有较高低频成分，高频成分不明显。通常情况下，当转子出现平行不对中时，其2倍转频突出，而角度不对中时则出现同频振动，即多倍频振动。本次并没有出现多倍频谐波，表明振动不是不对中引起。

频谱分析2：轴心轨迹图所示自振动趋势增大开始，轴心轨迹呈不规则椭圆。不同的轴心轨迹反映着转子运动状态或故障的基本信息，比如不平衡故障使轴心轨迹呈椭圆形，不对中故障使轴心轨迹呈外8字形，油膜涡动故障使轴心轨迹呈内8字形[2]。

分析结果：结合频谱图及轴心轨迹图分析，振动随转速增大逐渐增加，特征频率1X明显，伴有较高的低频成分，轴心轨迹呈不规则椭圆，初步分析为轴系不平衡，振动增大的主要原因可能是：转子不平衡、轴承装配间隙不当，轴承与壳体配合过盈不足等。其中随着负荷增大、转速升高，机械松动可以使已经存在的不平衡、不对中等所引起的振动问题更加严重，也可因机械松动的进一步恶化而引发其他故障[3]。

4.3 膨胀节振动大、排缸声音闷沉

运行分析：随汽轮机转速升高，膨胀节振动增大、排缸声音增大，现场对排汽管线及凝汽系统进行检查，排汽管线焊缝外表面无裂纹，连接法兰紧固件无松动，现场无漏点，凝气器采用刚性支撑，无弹簧支座，排除因外部支撑或连接件松动引起振动或噪音。

分析结果：振动和噪音大可能是膨胀节或机体内某些部件连接松动或膨胀节内部焊缝存有裂纹。

4.4 排缸轴封输水量大

运行分析：汽轮机为冷态启机，轴封汽过早投用，轴封汽进汽阀开度大，现场排汽管排出大量白雾。

分析结果：冷态启机，轴封汽不应过早投用，避免真空建立时间长，造成排缸轴封疏水量大;同时增加轴封供汽管疏水，避免轴封汽带水。

根据上述分析诊断，判断除轴系不平衡外，可能伴有机内部件松动，部件装配尺寸不当等情况，需要拆缸检查。

5 汽轮机拆检

待汽轮机缸体冷却后，拆缸检查问题如下：

问题1：主蒸汽管道进汽法兰，自由状态下法兰错口量大（20～30mm），法兰水平间隙大（180mm），不满足无应力配管要求，迫使缸体产生侧向应力，转子与缸体中心改变，而造成高压侧径向轴承运行不良，现场拆检发现TISA801瓦块磨损严重。

问题2：现场复测转子与缸体轴向定位尺寸E2为106.58mm（合格证要求定位数据为106.30mm），由于定位尺寸大，造成转子与喷嘴件距离变小，易产生动静部件摩擦。

问题3：现场复测后径向轴承下瓦背与瓦枕间隙，左侧0mm，底部0mm，右侧0.05mm，测量显示瓦背与瓦枕接触不良，轴瓦在运行中可能产出自振动，使油膜建立不良。

问题4：汽轮机开缸后，发现末级导叶持环尾部中分面螺栓未安装，导叶持环尾部中分面有0.02mm间隙，在缸体受热膨胀后，受汽流的冲击，易产生噪声及振动。

问题5：排汽侧膨胀节内部检查，其安装方向正确，内部连接焊缝PT检测，未发现有裂纹。

问题6：鉴于汽轮机通流部分间隙值符合要求，后径向轴瓦接触良好，建议转子返厂高速动平衡测试。最终高速动平衡测试显示转子排汽侧不平衡量大。

本次检修消除上述问题后，再次启动汽轮机组，轴振动达到正常值范围，噪音消除。

6 结束语

本文在分析汽轮机组试车期间出现的振动高，噪音大等问题上，结合生产经验，进行系统的多方面分析，同时利用在线监测，分析运行频谱图，较准确地掌握机组运行状况，进行事故诊断，得出解决措施。同时建议加大机组安装、拆检跟踪检查力度，尤其类似各部件装配尺寸、主蒸汽管道无应力安装等关键点，需严格进行检查确认，以确保机组安装质量符合标准要求。

参考文献：

[1]郭宇.汽轮机振动的机理及其危害[J].石油和化工设备，2013，16（10）：68-70.

[2]万书亭，李和明.汽轮发电机组轴心轨迹進动方向自动识别新方法[J].中国电机工程学报，2003，3（23）：146-149.

[3]申甲斌.常见三种机械松动的振动频谱分析[J].中国设备工程，2008（2）：52-55.

[4]高登.汽轮机组异常振动分析与故障排除[J].科技创新与应用，2013（24）：120.

[5]侯茗枫.汽轮发电机组振动原因分析[J].科技创新与应用，2012（29）：70.