軸系斷裂的防范措施

周 軼，崔 野

中電投電力工程有限公司煙臺分公司，山東煙臺 265116

多年以來，國內(nèi)先后發(fā)生了數(shù)十起大型汽輪發(fā)電機組軸系斷裂災難性事故，給國民經(jīng)濟造成了巨大經(jīng)濟損失。這些事故破壞程度一次比一次嚴重，原因越來越復雜。國內(nèi)外已發(fā)生的軸系斷裂事故表明，大都發(fā)生在機組嚴重超速事故中，其技術(shù)原因除超速產(chǎn)生的離心力、劇烈振動引起的破壞外，還與軸系連接件質(zhì)量不良有關(guān)。

對某些事故的原因與責任，當時的專家調(diào)查組已有定論。而對事故斷軸的內(nèi)在起因、過程、機理，盡管現(xiàn)今的轉(zhuǎn)子動力學、振動力學、斷裂力學等以有的方法和研究結(jié)論可以局部的說明，但對于關(guān)鍵疑點，至今仍無法從學術(shù)和技術(shù)角度給出清晰、明確的解釋。

更為重要的是，類似上述的惡性事故至今仍在繼續(xù)發(fā)生。近一二十年來，日本關(guān)西省海南電站600mW機組、美國GE公司900mW機組（安裝在臺灣核三電站）以及其他一些國外大型機組，也相繼發(fā)生過類似的斷軸事故。

這些屢發(fā)的斷軸毀機事故以及更多存在的事故苗頭，對目前國內(nèi)太熟劇增的容量、高參數(shù)汽輪機組的安全穩(wěn)定運行，構(gòu)成了嚴重的威脅。防止和杜絕大型發(fā)電成套關(guān)鍵設備毀壞事故的重演，是一項重要的課題。

對國內(nèi)外這些事故的分析表明，事故原因主要有兩大類：材質(zhì)缺陷和振動。從發(fā)生是故事機組所處的工況統(tǒng)計，約有50%以上是在制造廠內(nèi)試車或進行危急保安器超速試驗過程中發(fā)生的，約30%是在啟動過程中發(fā)生的。

軸系惡性斷裂與機組一般的重大事故不同，它們會帶來巨大的經(jīng)濟損失和不利的社會影響。根據(jù)現(xiàn)今技術(shù)的發(fā)展，可以斷言，這種事故是完全可以防范的。從設計制造方面提高大機組軸系的安全可靠性，從運行方面強化有效的振動監(jiān)測手段，推行嚴格科學的設備檢修管理辦法，這對防止大機組軸系斷裂事故是非常有意義的。

1 振動狀態(tài)監(jiān)測和檢修方面的防范措施

1.1 加強振動狀態(tài)監(jiān)測

軸系斷裂惡性事故發(fā)生的兩大原因，一是振動，一是材質(zhì)。從現(xiàn)有的國內(nèi)外事故發(fā)生前后的記錄看，無論哪一種原因，斷軸發(fā)生前在振動上都有所反應。這是因為轉(zhuǎn)子部件強度或剛度的惡化要有一定的時間，軸承瓦蓋的松動、聯(lián)軸器螺栓或瓦蓋螺栓的損壞、轉(zhuǎn)軸裂紋的擴展，都不會在數(shù)秒內(nèi)使轉(zhuǎn)子強度從完全正常的狀態(tài)發(fā)展到極限，這個發(fā)展過程有時會很長。從機組整體來看，在軸系毀壞后期過程中，多數(shù)部件的破壞可能較快，但事故前期造成起因的個別關(guān)鍵部件的狀況必定有一個緩慢變化的過程。

這里，葉片的斷裂應該排除在外，它是突發(fā)性的，可以在事先毫無跡象的極短時間內(nèi)發(fā)生。但是，如果葉片斷裂后進一步造成轉(zhuǎn)軸斷裂，這必定需要時間。

轉(zhuǎn)軸材質(zhì)缺陷造成的軸系斷裂事故也是如此。裂紋的產(chǎn)生與擴展同樣需要一個時間過程。這種情況對判斷機組——轉(zhuǎn)子狀態(tài)提供了有利的條件。由此，對大型機組的振動狀態(tài)監(jiān)測是保證機組安全，防止軸系斷裂事故發(fā)生的一條十分有效的措施。問題的關(guān)鍵是如何從事故發(fā)生前的蛛絲馬跡中及時準確地做出判斷。為此應該具備如下兩個基本條件：

1）完善的監(jiān)測系統(tǒng)。它應該精確、快速、高效率地提供所需的大量數(shù)據(jù)；

2）具有根據(jù)振動現(xiàn)象對機組故障和狀態(tài)進行分析判斷的知識和經(jīng)驗。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，第一個基本條件已經(jīng)具備，現(xiàn)代大型機組配備的振動監(jiān)測系統(tǒng)有些已經(jīng)能夠滿足要求。對于第二個條件，到目前為止，尚沒有非人工的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)。

1.2 檢查

定期對大軸、大軸內(nèi)孔、發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)等部件進行探傷檢查，以防止產(chǎn)生裂紋導致軸系嚴重損壞事故。

1.3 檢修

對于今后的大容量汽輪發(fā)電機組，振動問題越來越重要。不僅在結(jié)構(gòu)上，在安裝和時運方面也必須比以往更加注重振動問題。安裝過程中，必須保證有完善的軸承安裝實施措施，確保軸承的安裝與緊固；完善的動平衡措施；對于共振轉(zhuǎn)速和各臨界轉(zhuǎn)速，因該是先明確規(guī)定振動的上限和過大振動的應急處理方法。

2 設計階段對軸系事故的防范原則

從防止大型機組軸系發(fā)生斷裂的角度出發(fā)，軸系動特性設計要求考慮軸系具有承受突發(fā)的大不平衡的能力，如葉片飛脫和大的扭矩；并且要求保證轉(zhuǎn)子相對剛提的長久對中。

軸系非線性振動的研究結(jié)果增加了對大容量汽輪機大不平衡引起的振動的理解，但尚有許多方面目前還沒有涉及到。對將來應進行的研究工作和研究結(jié)果的實際應用提出下述建議：

1）鑒于前面的原因，建議給予軸承設計與重要性相稱的重視；

2）還應進行同類內(nèi)容更廣泛的研究和分析，對現(xiàn)在所有的大容量汽輪發(fā)電機組上所采用的軸承結(jié)構(gòu)進行評價，以向電力部門提供用各種現(xiàn)已采用的軸承結(jié)構(gòu)來避免機組發(fā)生大不平衡事故的知道方法；

3）應進行類似的分析來研究新的軸承設計，以最大限度地避免大不平衡事故，同事又滿足對現(xiàn)有設計有影響的其它實際限制條件。應該檢驗軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(jié)以及軸承結(jié)構(gòu)的支撐特性；

4）“重載”擠壓油膜阻尼器現(xiàn)在引起了廣泛的研究興趣。除了因汽輪機、壓氣機或風機在運行中喪失葉片的事故而產(chǎn)生大不平衡情況外，這種阻尼器預期還能保持“潛伏狀態(tài)”，大的振動能自動激發(fā)這種阻尼器。為了評價擠壓油膜阻尼器能否更好地控制汽輪發(fā)電機組大不平衡引起的振動，應該對這種阻尼器進行分析；

5）在大不平衡緊急故障期間，應該進行分析和試驗確定在軸承喪失其控制大不平衡引起的振動的正常能力以前，各種軸承結(jié)構(gòu)的承受能力究竟有多大？這對于可傾瓦徑向軸承是特別重要的，因為這種結(jié)構(gòu)視乎最有可能防止這類事故；

6）在大不平衡狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子跨距中間位置（兩軸承之間）的振動可以大到足以引起轉(zhuǎn)動和非轉(zhuǎn)動部件之間的嚴重沖擊和摩擦。在以后的非先行動力學分析中，應包括這些因素，以確定嚴重摩擦和沖擊現(xiàn)象對振動水平的影響；

7）鑒于非線形動力學分析結(jié)果具有重要意義，在實驗室試驗模型上對這類分析進行試驗驗證是迫切希望的，也是很合理的。

3 結(jié)論

機組主、輔設備的保護裝置必須正常投入，已有振動監(jiān)測保護裝置的機組，振動超限跳機保護應投入運行；機組正常運行瓦振、軸振應達到有關(guān)標準的優(yōu)良范圍，并注意監(jiān)視變化趨勢。

不合格的轉(zhuǎn)子禁止使用，已經(jīng)過主管部門批準并投入運行的有缺陷的轉(zhuǎn)子應進行技術(shù)評定，根據(jù)機組的具體情況、缺陷性質(zhì)制定運行安全措施，并報主管部門審批后執(zhí)行。

[1]陸頌元.國產(chǎn)200mW汽輪發(fā)電機組振動穩(wěn)定性[J].電力技術(shù)，1992，2.

[2]張游祖.兩臺200mW機組斷軸事故分析[D].全國第二屆轉(zhuǎn)子動力學學術(shù)討論會論文集，1989.

[3]防止國產(chǎn)200mW機組軸系斷裂事故暫行措施[J].電力建設，1988 (10).

[4]陸頌元，汽輪發(fā)電機組大不平衡非線性振動與軸系事故[J].動力工程，1994，6.