汽轮机高负荷振动异常分析及处理

吴健 吴仕奎

摘要：本文主要介绍了汽轮机振动异常的常见原因 。同时通过对汽轮机在高负荷状态下振动异常的分析判断及处理方法来阐述滑销系统故障所造成的汽轮机振动异常的现象及特点。

关键词：滑销系统;热膨胀;振动;频谱分析

1  汽轮机振动故障类型介绍

汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式热能动力机械，具有效率高、功率大、转速易控制、寿命长、运转安全可靠等优点。因此被广泛地应用在发电、冶金、石油化工等行业[1]。

在汽轮机的运行的诸多参数当中，汽轮机振动值是最为重要的几项参数之一。振动良好是汽轮机安全稳定长周期运行的基本条件之一。一旦汽轮机振动值出现异常将给企业的生产经营构成经济、安全多方面的威胁。据统计转动设备故障类型比例当中，异常振动比例又占比达到30%。同时鉴于振动异常的危害性，振动问题总是牵动各级领导的神经，是研究和公关的重点方向[2]。造成汽轮机异常振动的原因往往比较复杂，常见引起汽轮机振动异常的原因有以下种：

①联轴器不对中、联轴器故障或不平衡;轴颈或轴承故障[3];

②基础不均匀下沉或机座变形;

③转子热弯曲;

④动静部件轴向间隙小于热胀差;

⑤转子不平衡;

⑥汽缸或转子热变形，产生摩擦;

⑦滑销系统故障。

下面就引发汽轮机振动异常不太常见故障类型滑销系统故障，进行分析和处理。

2  滑销系统故障引起的振动案例介绍

2.1 设备工况及故障描述

泸州市垃圾焚烧发电厂2#汽轮发电机组采用的是杭州汽轮机厂生产的N15/3.82凝汽式汽轮机，额定转速3000r/m，额定功率15mw。该机组该机组通过刚性联轴器与发电机组连接在一起。汽轮机后轴承与发电机前轴承共用一个轴承座，且该轴承座通过焊接的方式固定在汽轮机排气缸上面。该机组在投产2年后于2017年开始出现振动异常现象。主要表现为在启机带负荷的过程中，机组在空负荷状态时各轴承振动值随转速上升而上升（但仍在技术要求范围以内），但机组一旦待负荷后汽轮机后轴承振动随负荷的增长而缓慢增涨，且负荷上升到一定程度后振动急速加剧（振动突变120um左右），随后达到联锁停车值。其振动现象表现为以下几个特点：

①振动值随转速上升而上升（尚在技术参数要求

以内）;

②振动值对蒸汽参数敏感，蒸汽温度波动时，振动值波动大，但振动波动具有一定时间滞后性;

③振动值汽轮机负荷变化而变化，低负荷阶段随汽轮机负荷上升而缓慢上升。高负荷阶段随负荷上升而剧烈阶跃性上升（振动加剧具有一定时间滞后性），快速达到连锁停机值。

2.2 初步故障判断

对汽轮机启机升速阶段做振动频谱分析及趋势图（见图1）可知：汽轮机后轴承振动以工频振动为主，其他振动频率所占比例较小[4]。

结合汽轮机振动随负荷变化趋势可知，汽轮机振动值对缸体热变形敏感。综合振动异常时的现象可初步判定汽轮机故障为动静碰摩，而结合本机组原因可能为以下两点：

①汽轮机滑销系统故障，机组热膨胀故障导致动静摩擦;

②汽轮机转子存在热变形，随机组进汽量变大而体现出来，致转子动不平衡振动变大。

考虑到机组在尽两的运行期间内，未出现过可能致使汽轮机转子发生热弯曲的因素或现象。该机组的振动异常原因为滑销系统故障的可能性较大。具体到滑销系统出现了哪类型故障需要在机组的大修过程中进一步得到验证。

2.3 汽轮机大修开缸检查

为了进一步确定汽轮机故障原因解决汽轮机振动大故障及证实上述判断想，遂利用锅炉检修降负荷之际对汽轮机进行大修，重点检查汽轮机滑销系统及汽轮机转子。在开缸后对转子及缸体检查发现如下问题：

①汽轮机缸体与机头前轴承座连接的立销槽一侧出现较大裂纹，立销侧间隙远超技术标准;

②汽轮机缸体后迷宫汽封齿与转子后汽封齿产生严重动静碰撞，磨损严重。汽轮机转子第4、5级叶轮围顶与缸体迷宫密封齿有动静摩擦痕迹。汽轮机转子复速级及第1、2、3级与缸体隔板密封齿的间隙，右侧远远大于左侧;

③缸体前汽封洼窝中心严重向左侧偏心。

对上述现象进一步分析，可排除转子热弯曲引起振动大的可能性。同时证实引起汽轮机高负荷振动大的根本原因为滑销系统故障，故障源头为：机头前轴承座与缸体连接的立销槽一侧产生裂纹致使裂纹一侧间隙变大所导致。本应在热膨胀过程中引导汽轮机缸体上下膨胀的立销，由于立销槽一侧出现裂纹使汽轮机缸体往出现裂纹一侧膨胀不受约束。当热膨胀量超过汽封间隙时，汽轮机转子和汽轮机缸体发生动静摩擦，从而导致振动异常。

3  处理方式及开机测试

要解决汽轮机高负荷振动大故障必須将该轴承座立销槽修复，若从生产厂家购买新的机头轴承座将花费更长的时间，故只能现场修复该机头轴承座立销槽。

由于汽轮机机头前轴承座材质为铸铁，铸铁可焊性差且焊接时无法保证焊接后立销槽与立销的配合精度。故只能采取其他方式修复：在原立销键槽壁开裂位置用镗床加一平面，再在平面上开孔通过螺栓及圆柱销的方式固定一块钢制件加工件在轴承座上，同时以另一侧完好的立销槽壁为基准从加工新调整出一个完整的立销槽。在保证新加工的立销槽的强度情况也，也兼顾立销槽与汽缸立销的配合精度。

在完成大修其他工作后，遂启动2#汽轮机组对维修效果进行鉴定。机组在启动升转速至工作转速振动状态良好。机组带负荷后，负荷由低负荷至满负荷振动状态良好，汽轮机后轴承振动由129um下降至最大30um，至此2#汽轮机高负荷状态下振动异常故障得到解决。但造成汽轮机轴承座立销槽开裂断掉的原因还有待今后进一步探究。

4  结论

由于汽轮机的振动往往受多方面的影响，只要跟机本体有关的任何一个设备或介质都会是机组振动的原因。特别是本文中汽轮机在升速阶段振动值良好，但在带负荷以后振动值随负荷升高而升高，且振动上升具有一定时间滞后性，同时振动为工频时，汽轮机故障往往与转子热弯曲及滑销系统故障相关，二者故障现象具有一定相似性。在排除转子热弯曲的可能性下，滑销系统故障造成缸体热膨胀受阻，往往是汽轮机在高负荷状态下振动异常的重要原因。

参考文献：

[1][3]任晓善.化工机械维修手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]陆颂元.汽轮发电机组振动[M].北京：中国电力出版社，2000.

[4]沙德生，陈江.火电厂设备状态检修技术与管理术[M].北京：中国电力出版社，2016.