汽轮机异常轴振动的分析与处理

吴野(神华新疆化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 831404)

汽轮机在化工厂应用较普遍，主要用于驱动离心式压缩机，也有用于驱动离心泵、小型转动设备。汽轮机是化工厂的重要设备，汽轮机故障会直接影响生产装置的安全、稳定运行。

而汽轮机的轴振动是汽轮机能否安全、稳定运行的重要指标，轴振动异常是汽轮机出现机械故障的一种最直接的表现形式，机组运行的安全性、稳定性很大程度上是由汽轮机轴振动的状态来决定的。如若汽轮机轴振动过大可能会引起密封损坏、动静部分摩擦等一系列的汽轮机本体故障，还有可能会引发装置停产事故，造成经济损失。汽轮机轴振动异常的原因较复杂，汽轮机轴振动异常可能是多个原因综合作用的结果，这就需要我们按照汽轮机的运行情况进行分析，排查可能因素，确定维修方案，对其及时做出处理，避免汽轮机发生重大事故，保障机组安全、稳定运行。压缩机组轴系图见图1。

1 汽轮机情况简介

某厂的汽轮机为NK50/56型凝汽式汽轮机，属积木块式工业汽轮机。汽轮机汽缸按积木块原理分为前区段(新蒸汽进汽部分)、中间段(叶栅部分)和后区段(排气部分)，汽轮机本体由前汽缸和排汽缸组成，二者通过垂直中分面相连接，整个汽缸为水平中分结构，上下缸用法兰面和螺栓连接，该汽轮机用于驱动一台离心式压缩机。汽轮机使用本特利3300监控系统，检测轴振动、轴位移。汽轮机联端、非联端各有两个电涡流式位移传感器呈90°夹角，V型安装在主轴上方，直接测量轴振动数值。该汽轮机主要技术参数如下：

额定功率/k w额定转速/r·m i n跳闸转速/r·m i n进汽压力/M P a(G)进汽温度/℃排汽压力/M P a(A)耗汽量/k g·h第一临界转速/r·m i n最大连续转速/r·m i n 2 3 2 8 7 7 2 5 1 8 4 8 1 4.1 4 2 0 0.0 2 5 1 0 2.6 2 3 2 8 7 7 3 5

2 汽轮机故障现象

该汽轮机于2016年6月正式投入运行。正常运行时，汽轮机联端、非联端轴振动值都在20μm左右，机组运行状态良好。随着运行时间的增加，2017年9月，该汽轮机联端轴振动监测B通道出现轴振动值异常情况，当汽轮机转速超过6700rpm/min时汽轮机联端轴振动监测B通道振动值快速上涨，6800rpm/min时已达到50.98μm，该汽轮机轴振动高报警值为50μm，汽轮机轴振动联锁停机值为75μm，而联端轴振动监测A通道振动值显示31.82μm，非联端轴振动监测A/B双通道振动值均有轻微变化，但变化量不大，始终在23μm左右，汽轮机所驱动的离心式压缩机高、低压端轴振动未随汽轮机联端轴振动监测B通道振动数值的变化而变化。当转速降至6650rpm/min时，汽轮机联端轴振动监测B通道振动值降至33μm，汽轮机联端轴振动监测B通道的振动值随汽轮机转速波动较大，而汽轮机联端轴振动监测A通道振动值波动较小。汽轮机的额定转速为7251rpm/min，在6800rpm/min时汽轮机联端轴振动监测B通道振动值就已经达到高报警值，如此异常的轴振动如果不及时查清原因，会对汽轮机的安全运行造成隐患，轻则造成机组不能正常运行，重则会使机组发生安全事故。

图1 压缩机组轴系图

图2 汽轮机联端轴振动值趋势图

3 汽轮机联端轴振动异常检查处理过程

(1)通过调看生产装置压缩机组CCS监控系统的历史趋势，并将汽轮机轴振动、与汽轮机主蒸汽流量、压力、温度等放在同一时间坐标的趋势图上查看(图2)，在振动异常时汽轮机主蒸汽压力、温度和汽轮机的排气压力、温度趋势平稳，无波动。压缩机进、出口压力、温度和流量也都在正常工况下运行，无大幅度波动，说明汽轮机联端轴振动监测B通道的异常振动与压缩机组运行条件发生变化无关。

(2)因传感器失灵而导致的压缩机组故障是特别常见的，所以检查汽轮机本特利3300轴振动监控系统是否发生误报警情况，检查接线牢固，卡件无故障。检查电涡流传感器电压-9.18V，在正常工作范围内，对电涡流式位移传感器来说，所测得的位移与输出的电压始终为线性关系，本特利探头的线性特性为200mV/mil，换算成公制为7.87V/mm，正常运行时汽轮机联端轴振动监测B通道电涡流传感器间隙电压为-9.23V，30.63μm振动值，汽轮机联端轴振动监测B通道振动值异常时电涡流传感器间隙电压为-9.18V，50.98μm振动值，电涡流传感器电压变化小，但振动值却很大，因此判断电涡流传感器无故障，振动值可信，如图3所示。

图3 汽轮机联端轴振动监测B通道GAP电压趋势图

(3)通过调看生产装置压缩机组CCS监控系统中的轴振动历史趋势，见图4，发现当汽轮机联端轴振动监测B通道振动值上升时，联端轴振动监测A通道的轴振动值同时在增大，汽轮机非联端双通道轴振动值也在上升，但是变化较小，此现象说明，同一时刻汽轮机联端、非联端轴振动值同时发生变化，所以汽轮机联端轴振动监测B通道轴振动异常是真实存在的。

(4)通过现场观察发现汽轮机前轴承座与汽缸之间拉杆螺栓未点焊，锁紧螺母松动，前轴承座发生偏移现象，且汽轮机前端膨胀指示器不动作。

(5)根据大型旋转机械在线状态监测及分析系统上的振动信号频谱图(图6)显示，汽轮机联端轴振动监测B通道轴振动的谐波能量主要是集中在转子的工作频率(一倍频)上，基频振动成分所占的比例很大，而其它倍频成分所占的比例相对较小，振动值随汽轮机转速变化较明显，工作转速稳定时振动相位稳定，原始波形形状接近于正玄波形，轴心轨迹为椭圆，轴心轨迹存在反进动现象，且对应波形频谱图中还存在削波现象。见图5。

图4 汽轮机联端、非联端轴振动趋势图

图5 汽轮机轴心轨迹图

图6 汽轮机联端轴振动监测B通道振动波形频谱图

(6)通过以上几点判断汽轮机联端轴振动监测B通道振动值为真，汽轮机联端轴振动出现异常，但情况不是十分严重，因为此压缩机组是该生产装置的核心设备，汽轮机停机检修相当于装置停产，会造成巨大损失，因此可以在控制汽轮机转速在6650rpm/min以下监控压缩机组运行，直至计划停机检修，可以减少经济损失。

4 汽轮机联端轴振动异常的原因分析及处理

4.1 汽轮机联端轴振动异常的原因分析

汽轮机轴振动异常的原因是多方面的，也是比较复杂的，例如安装及检修质量不良、管道振动带动机组振动、轴承承载能力及油膜问题等等，但就上述检查情况看，汽轮机联端轴振动监测B通道振动值异常可能有如下原因：

(1)汽轮机前轴承座与汽缸拉杆螺栓未点焊(见图7)，锁紧螺母松动，致使前轴承座发生偏移现象，且汽轮机前端膨胀指示器不动作，汽缸导向装置偏移，卡涩，汽轮机运行时热膨胀受阻致使汽轮机转子与前轴承座、汽缸对中不良，以此判断为转子与汽缸、轴承座的同心度被破坏而引起振动。

图7 拉杆螺栓未点焊

(2)汽轮机转子与压缩机转子冷态对中符合要求，运行时中心产生偏移。因汽轮机的排汽冷凝器故障致使汽轮机排汽压力高于正常值运行，汽轮机的排气压力正常值为20KPa(A)，排汽凝汽器故障时汽轮机排汽压力高至80KPa(A)，且汽轮机的排气温度随排汽压力的升高而升高。运行时排汽接管受热膨胀使汽轮机后轴承中心抬高，因转子与汽缸、轴承座的同心度差，继而引起汽轮机轴振动值升高。

(3)根据大型旋转机械在线状态监测及分析系统上的振动信号频谱图显示，初步判断汽轮机存在动不平衡及轻微摩擦现象。

4.2 汽轮机联端轴振动异常的检查、处理

针对汽轮机联端轴振动异常的情况，2018年8月对汽轮机进行了大修处理，检查处理结果如下：

(1)检查发现汽轮机转子两侧定位值均发生变化，按汽轮机安装技术要求，汽轮机转子两侧定位数值应为151.9mm，实测汽轮机转子南侧定位数值为152.14mm，汽轮机转子北侧定位数值为152.36mm，详情如表1所示：

表1 汽轮机转子定位值对比

分析原因主要是拉杆螺栓未点焊，导致螺母松动，轴承座偏移，转子未能准确定位。转子南北两侧相差0.22mm，汽轮机前轴承座偏移0.22mm，转子中心发生变化，引起汽轮机轴振动异常。后经调整汽轮机前轴承座与汽缸的拉杆螺栓，调整转子两侧定位值为151.8mm，并将拉杆螺栓点焊防松，如图8所示。

图8 拉杆螺栓点焊防松

(2)检查汽轮机平衡活塞汽封处有摩擦，密封齿损坏，如图9所示。分析原因为汽轮机转子偏心，造成平衡活塞汽封处轻微摩擦，返厂维修更换密封齿。

图9 汽轮机平衡活塞汽封密封齿损坏

(3)汽轮机转子返厂做高速动平衡

转子跳动检查情况良好，前、后轴径电跳量均为0.008mm，轴径未磨损，转子高速动平衡不合格，在出汽端R=290mm、∠220°处增加30g，进汽端R=230mm、∠50°增加16g 后，转子高速动平衡合格。

汽轮机检修完成后运行压缩机组，汽轮机转速最高升至6900rpm/min，汽轮机联端轴振动监测B通道振动值正常，最大振值24μm，检修效果良好，运行至今再未发生过汽轮机联端轴振动异常情况。

5 结语

汽轮机轴振动的大小，是评价一台汽轮机运行安全、可靠的重要指标，对于汽轮机来说微小的振动必不可免，只要振动幅度不超过技术要求所规定的数值就属于正常振动。但也难免会出现一些异常振动。汽轮机异常振动产生的原因相对较复杂，要从多方面考虑。因此，针对汽轮机异常振动的分析显得尤为重要。汽轮机在化工厂属于核心设备，减少汽轮机的故障率对化工厂的安全、稳定运行有着深远的意义。