汽轮机运行振动危害与解决措施

禹海斌

（甘肃电投常乐发电有限责任公司，甘肃酒泉 736100）

0 引言

随着现代技术发展，机械设备内部的精密程度越来越高，内部零件耦合状态的要求也更加明显。一旦某个零部件发生故障，将会影响整个生产链。对于汽轮机来说，可以通过观察其振动情况来判断内部零件是否出现松动和发生故障。若汽轮机出现振动过大，则表明该汽轮机出现故障，必须立即诊断维修。影响汽轮机振动的因素有很多，因此，准确排查故障原因，给出解决措施，对企业有着重要意义。

1 汽轮机运行振动的危害

（1）汽轮机热经济性降低。汽封间隙量与汽轮机热经济性之间有直接关联。汽轮机振动过大会导致汽封间隙变大，造成汽轮机热经济性降低。

（2）造成动静部分和支撑部件损坏。在机组异常振动情况下，动静部分发生摩擦，造成端部轴封磨损。此外，过大的振动也会造成叶片、叶轮和密封瓦等部件出现疲劳，导致轴瓦乌金龟裂。

（3）造成连接部件松动。当汽轮机发生异常振动时，会引发汽轮机的轴承、主油泵和涡轮等部件发生共振现象，造成连接螺栓松动、地脚螺栓断裂，最终机组发生故障。

（4）造成设备事故。汽轮机振动过大会引起调速系统的不稳定，进而发生调速系统事故，甚至可能危急遮断器，导致其操作失误，造成事故停机。此外，过大振动也会导致发电机励磁机部件松动、损坏。

2 汽轮机振动故障分析

2.1 动静部位碰摩

一般来说，动静部位碰摩分为局部碰摩和整周碰摩。

（1）动静局部碰摩特征。轻微碰摩，振幅不变，严重碰摩，振幅减小。碰摩增加，谐波分量也出现增加现象。碰摩造成不平衡质量点位置不断发生改变，使得相位也发生变化[1]。

（2）动静整周碰摩特征。转子横向振动频率变高；轴颈中心向轴承内部间隙圆中心偏移；1×频最大振幅为摩擦点截面间隙圆。造成动静部位碰摩的原因主要有3 个：首先是在设计或安装过程中动静间隙过小；其次是转子振幅过大；还有可能是因为轴系不对中，引起转子偏斜，发生碰摩。

2.2 转子质量不平衡

汽轮机转子质量不平衡的特征有很多，其主要故障特征见表1。导致转子质量不平衡的原因有很多，综合来看，主要原因如下。

表1 转子质量不平衡的振动故障特征

（1）热弯曲。当转子发生热弯曲后，其转速会下降。当下降到临界值时再启动，就会产生更大振幅，从而出现汽轮机振动。转子在不同状态下的波特图能够帮助判断是否发生热弯曲。此外，转子材料的热应力、气缸进水等原因都会使转子发生热弯曲。

（2）原始性不平衡。该类不平衡在转子转动前就存在，在加工或者检修过程中遗留下来的，其特征是振幅和相位受其他参数影响不大，振动特征较稳定[2]。

（3）零部件的松动、飞脱。转子上可能发生飞脱、松动的零部件有平衡质量块、叶片和护环等。当零部件发生飞脱时，振幅呈突发性的变动，迅速增大到某一固定值[3]。此外，当机组带有负荷时比较容易发生这类故障。

2.3 异步振动

异步振动分为油膜振荡和蒸汽激励振荡。

（1）油膜振荡由油膜涡动引起。油膜涡动是因为轴颈的位置随着滑动轴承载荷的变化而变化。在变化过程中，产生惯性力，轴颈在外载荷作用下，使得轴颈中心线相对于平衡位置发生涡动。由于油膜支承着轴颈，因此发生油膜涡动时，油膜会出现不稳定或遭到破坏，最终引发共振，即油膜振荡。主要故障特征：转速增加时，振幅不会随之下降，当转速降到2 倍临界转速以下时，出现停止现象；轴心涡动方向同转子旋转方向一致；轴心轨迹变化范围增大且呈呈紊乱现象[4]。

（2）蒸汽激励振荡产生的原因是由于静子变形，或者转子发生弯曲，导致汽轮机转子与静子间的径向间隙发生偏差，产生一个切向力，使得转子涡动，最终造成蒸汽激励振荡。主要故障特征：容易在高压转子上发生；轴心轨迹为椭圆；频带宽，振动出现的概率高；正向涡动，频率为0.6×～0.9×。

2.4 转子中心不对中

（1）联轴器不对中。联轴器不对中包括组合不对中、角度不对中和平行不对中。其中，平行不对中引发的振动频率为转子基频的2 倍；角度不对中使转子产生轴向基频振动；组合不对中是上述两种不对中的组合情况。联轴器不对中的主要故障特征：振幅随着负荷的増加而增大（平行不对中）；易引起工频振动（角度不对中）；径向和轴向联轴器两侧相位差为180°（组合不对中）。

（2）轴承不对中。轴承不对中是因为轴承负荷不对中，导致轴承上下和左右位置出现偏差，造成转子失稳。主要故障特征：径向振动出现2×频；轴承的油膜压力变化成反方向；轴心运动轨迹为香蕉形；出现高次谐波；负荷变化时振动会发生改变。

2.5 转子裂纹

（1）受热应力的影响。热应力的来源可能是因设备频繁启用，造成转子启停过程中产生过大的温差变化，最终形成热应力。

（2）应力集中。主要是因为转子的材料、加工设计与安装过程中出现错误操作。

（3）转子受到腐蚀。蒸汽中带有腐蚀性物质，转子长期处于这种环境就会发生腐蚀现象。

由于转子裂纹引发的故障特征见表2。

表2 转子裂纹的故障特征

2.6 转子的中心孔进油

转子中心孔进油的原因有：①未及时清理残余的油；②大轴端部的堵头未拧实，形成内外压差，造成润滑油流进孔内。转子中心孔进油，引发汽轮机异常振动的原因不明，目前主流观点如下。

（1）中心孔内的油转速低于转轴，然后引发同步激振，最终产生差振动。

（2）中心孔内液体的离心力能够分解出一个切向力，与涡动方向相同，当转子转速＞临界值时，就会发生同步失稳。

（3）转子内壁存在温差，产生热弯曲，引起振动加大。

无论上述哪种观点正确，转子中心孔进油引发振动的故障特征都是一样的，即1×频振幅值增大，易发生在新机调试阶段或维修后。

2.7 垫铁及台板间隙

垫铁与台板之间、垫铁与垫铁之间存在间隙的主要原因是安装过程中出现失误。在汽轮机安装过程中，由于垫铁与放垫铁的混泥土基础或者与台板之间，台板与汽缸或轴承座之间的接触面积不够和接触不密实，导致基础台板垫铁走动或过高，增加了汽轮机组运行时的振动。为消除这类间隙，要对水泥基础的平面进行处理，增加其与垫铁的接触面积，大于60%为宜；确保垫铁加工精度符合规范；通过研磨措施解决间隙问题。

3 汽轮机运行振动的解决措施

3.1 重视汽轮机的安装与检修

汽轮机在安装、检修过程中，因操作不当，汽轮机在以后运行中发生异常振动的概率很大。这是因为工作人员的失误可能会造成异步振动、转子中心不对中、垫铁与台板存在间隙等现象。因此，为确保汽轮机正常运行，首先是在安装过程中，找准汽轮机组的中心位置，切忌出现位移。其次是定期安排检修工作，排查安全隐患，出现常见的故障特征，要立即采取紧急维修措施。最后是在安装或检修后必须进行试运行，当汽轮机各项指标都满足使用需求且不出现故障特征时，方可移交生产或投入使用。汽轮机在运行过程中，若发生异常振动，必须及时找出原因，只有当振动控制在合理范围后，才能继续生产。此外，汽轮机在开始生产前，要先进行暖机，提高其在运行过程中的稳定性。

3.2 加强对汽轮机的振动监视

为确保汽轮机正常运转，对汽轮机的振动监视工作必不可少，这是预防汽轮机异常振动的关键。例如，通过安装轴承振动测量装置、大轴振动测量装置来检测汽轮机振动情况。这类装置能够对汽轮机的振动情况产生反馈，当汽轮机振动频率超过设定值时，装置会发出警报，从而以最快速度通知维修人员进行抢修，必要时停机处理，防止机组损坏扩大。

3.3 利用传感器加强对汽轮机的保护

一套完善的振动保护装置包含多种传感器，例如，位移传感器、温度传感器、重力传感器、角度传感器以及压力传感器等。利用这些传感器能够组成监控系统、保护系统和信号报警系统，这些系统又组合在一起，成为保护汽轮机安全运行的重要设备。当汽轮机振动超过临界值时，装置能够发出脉冲信号，实现主汽门的自动关闭，汽轮机的紧急停机。近年，随着各行各业都在开展自动化控制，保护装置对汽轮机的重要性不言而喻。因此，企业要加强对保护装置自动化的研究力度，不断提升保护动作的安全性和可靠性。

4 结语

振动现象普遍存在于汽轮机运行中且无法被消除，但应将振动控制在合理范围内。若机组振动过大，会导致零部件松动，降低轴承与基座间的连接刚度，危急整个电力供汽系统，最终被迫停机。因此，工作人员要熟知汽轮机振动故障现象，及时找出振动原因，采取科学合理的手段来减小振动，确保汽轮机安全稳定运行。