某汽轮机振动大及低压内缸裂纹原因分析与处理

黄建强， 朱熹， 彭金龙， 宋建华， 原晓叶

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳618000）

0 引言

保证汽轮机的安全运行是汽轮机设计的基础和关键，某联合循环汽轮机运行2 a后出现机组振动大、低压内缸裂纹的情况，严重影响机组安全运行。

本文从该机组运行情况、低压内缸结构设计等方面进行了分析，分析了该项目低压内缸产生裂纹的原因，并制定了相应的处理措施。

1 问题描述

该机组为某公司设计生产的2×400 MW燃气-蒸汽联合循环，汽轮机型号LC/150/94-11.01/1.0/566/566。燃气轮机和汽轮机为同轴布置，其布置方式如图1所示。

图1 机组布置

该机组于2015年5月投运，在2018年2号机组C修期间发现低压内缸上半进汽口位置进汽面及相应背面出现2处贯穿性裂纹，处于对称位置，长度尺寸在110 mm 左右，形貌如图2所示。另外在进汽筋板下部一侧焊缝处也出现长约3 mm的裂纹，形貌如图3所示。

检查后发现，隔板汽封和叶顶汽封均有不同程度的磨损。正反1级叶顶汽封损伤严重:磨损、断裂、变形、脱落，下半隔板汽封均比上半磨损严重，最大磨损量达2 mm，中低压连通管波纹管护板出现卡住变形情况，如图4所示。

该机组于2017年检修后，6月20日首次启动，启动定速后，汽机进汽加负荷过程中，5#、6#轴振出现增大的现象，最大5X达128 μm，然后一直存在，夏季工况时，汽机进汽升负荷过程较频繁地出现5#、6#轴振大的现象，且在正常运行中，也偶尔出现振动波动的现象。

图2 进汽板上两处对称分布裂纹形貌

图3 进汽筋板下部裂纹分布和形貌

图4 中低压连通管波纹管护板变形情况

2 运行情况收集

机组热态启动冲转过程转速在2000 r/min左右，低压调阀打开进汽，由于低压主汽温度低于中排温度，造成低压缸进汽温度大幅降低120～80 ℃（100 s内降低，最多达到140～150 ℃）。随着汽机负荷开始增加，低压再热调阀从30%逐步开大过程中（从开始开大到全开约20 min左右），6X振动出现增大，在调阀全开后，低压缸入口温度测点1和测点2均有大幅下降，温度降低约180～140 ℃（从温度开始降低到温度恢复正常，时间持续约3 min）。

图5 2017年8月17日4#～8#轴振幅值趋势

2017年6月19日，2号机组结束检修工作，6月20日机组检修后启动冲转，此后运行期间机组呈现升降负荷阶段迅速增大的现象。经查，2017年7月间6X测点通频幅值超过160 μm，2017年8月17日6X测点最大幅值超过220 μm，如图5所示。频谱分析显示振动主要的频率成分为基频，属于强迫振动。上述现象一直延续至今。

经调查分析，该现象呈现以下主要特点：1）低压缸轴振与负荷升降直接相关，负荷在120～190 MW升降阶段出现大幅度振动波动；2）相位变化存在一定的规律，峰值点幅值越大，相位变化越大，其中，5X测点相位在峰值点附近相位变化100°，6X测点相位在峰值点附近相位变化40°；3）振动幅值与各金属测点温度、回油温度、轴封汽温度、排汽温度无明显关联；4）在汽轮机带负荷之初，低压缸温度升高的同时，低压转子轴振开始增大，或者在低压缸进汽温度降低的时候，低压转子轴振增大；5）在振动波动期间，低压缸进汽温度出现下降后迅速上升的趋势，大约波动140～180℃；6）振动波动现象的发生有一定的再现性，但也会出现“时来时走”的间歇性特征；7）机组在满负荷运行与空载运行时，振动平稳，幅值较小，相位重复性好，且无高频成分的干扰。

3 振动原因分析[1]

1）升降负荷阶段产生的振动波动与金属温度、回油温度、低频波动无关，排除轴承稳定性问题带来的振动波动。

2）振动大发生在5#、6#支持轴承，即汽轮机低压部分，低压部分蒸汽参数低，且为对称双分流结构，汽封间隙均匀设计，基本可排除汽流激振；结合开缸后隔板汽封和径向汽封均有不同程度的磨损，基本可判定机组振动大产生的原因为动静碰磨。

4 动静碰磨原因分析

1）连通管膨胀节护板卡住变形造成膨胀节伸缩不畅，使连通管对低压内缸进汽口产生额外的推力，加剧了低压缸进汽口的疲劳损伤。

2）该项目低压内缸上半布置有供热蝶阀，为增加低压缸刚度，布置有如图6所示两个支撑板，但低压内缸进汽口由于两侧支撑板的原因刚度较大（汽缸壁厚为35 mm，支撑板厚度为90 mm），膨胀较慢，蒸汽温度变化时支撑板热胀冷缩速度低于汽缸热胀冷缩速度，引起低压内缸变形并影响到动静间隙，造成动静碰磨。支撑板的位置位于低压正反1～3级支撑持环处，由现场开缸检查数据看，低压正反1～3级汽封磨损相对严重，最大磨损量达2 mm；其余级次磨损量相对较小，甚至没有磨痕，这种情况也间接印证了低压内缸中部变形量最大。对低压内缸稳态应力进行了计算，如图7所示。计算结果表明，稳态下汽缸出现裂纹处应力为40 MPa,安全裕度足够。

图6 低压内缸结构

图7 内缸稳态应力计算

3）结合运行情况统计，该机组在升转速及升负荷过程中，出现的短时间内蒸汽温度骤降的情况，分别为：升转速中低压主汽温度低于中排温度造成低压缸进汽温度大幅降低120～80 ℃（100 s内降低，最多达到140～150℃）；升负荷过程中温度降低约180～140 ℃（从温度开始降低到温度恢复正常，时间持续约3 min），短时间内的温度突降产生较大的热应力。计算结果表明，在附加短时间温度热应力后，低压内缸出现裂纹处应力超过许用值。

综上所述，该机组运行中出现振动大的原因为汽缸变形引起的旋转部件和静止部件碰磨。而造成汽缸变形及局部裂纹的原因主要是连通管膨胀不畅造成的额外推力，低压内缸支撑板结构设计不合理造成汽缸热胀冷缩不畅及局部应力过大，机组升转速及升负荷过程中蒸汽温度突变产生的热应力。低压内缸进汽室处出现裂纹的原因为支撑板设计不合理，以及启动和带负荷过程中进汽温度突变造成的热应力过大。

5 处理措施

1）对产生了膨胀不畅的连通管及受损汽封进行修复，并对该连通管进行刚度实验确认，降低连通管刚度，避免连通管对汽轮机低压缸产生额外推力。

2）更改低压内缸支撑板结构（如图8），使低压内缸及低压内缸进汽口不再是由支撑板连接成的一个整体，避免因支撑板刚度过大、热胀冷缩不畅造成低压内缸变形，从而影响动静间隙。同时对低压进汽口出现的裂纹进行修复补焊，保证机组安全运行。

图8 低压内缸处理措施

3）更改机组冲转参数，提高机组热态启动时低压缸进汽参数，避免机组升转速过程中出现的蒸汽参数降低的情况；同时从系统上排查升负荷过程中低压蒸汽参数降低的原因，消除蒸汽参数变化引起的热应力。

6 结语

通过对该电厂机组设计及运行情况分析，找出了该汽轮机振动大及低压内缸裂纹的原因，提出了处理措施；经过处理后，机组运行过程振动良好，再次开缸后，未发现汽封磨损情况，证实了上述处理措施是有效的。此次问题处理也为后续汽轮机组设计起到了很好的借鉴作用。