某鋼廠1#汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷分析

劉 健，賈維龍

（馬鞍山馬鋼華陽(yáng)設(shè)備診斷有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

汽輪機(jī)在運(yùn)行中承受較大的離心力，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常會(huì)發(fā)生葉片斷裂和脫落等故障，汽輪機(jī)葉片損傷及導(dǎo)致二次損壞嚴(yán)重影響著發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。目前利用多種振動(dòng)分析方法、結(jié)合汽輪機(jī)力學(xué)特性和監(jiān)控診斷經(jīng)驗(yàn)等，仍是判斷汽輪機(jī)葉片斷裂的主要方法。

中國(guó)寶武馬鋼集團(tuán)某鋼鐵廠1#汽輪發(fā)電機(jī)組，在運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組振動(dòng)多次突然增大，特別是汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)瓦。通過(guò)一個(gè)多月的跟蹤測(cè)試診斷，判斷機(jī)組狀態(tài)由“注意”發(fā)展到“危險(xiǎn)”狀態(tài)，主要故障為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不良（檢修發(fā)現(xiàn)葉片斷裂）、發(fā)電機(jī)瓦存在缺陷。通過(guò)及時(shí)安排檢修，防止了故障繼續(xù)擴(kuò)大，確保機(jī)組安全。

1 設(shè)備傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與機(jī)組參數(shù)

設(shè)備由汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，圖1 中1#、2#、3#和4#為瓦的編號(hào)。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備生產(chǎn)廠家為南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，制造時(shí)間為2013 年，相關(guān)工作參數(shù)為：額定功率35 MW，轉(zhuǎn)速3000 r/min，額定電壓10.5 kV，額定電流2405 A，額定容量43.75 MV·A。

2 機(jī)組診斷分析

2.1 汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)瓦的振動(dòng)偏大

2020 年5 月12 日20：39，機(jī)組1#～4#瓦出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)上升。隨即將負(fù)荷降至5 MW，各瓦振動(dòng)有一定程度下降并保持基本穩(wěn)定。5 月13 日3：09，將負(fù)荷升至7 MW，6：23，將負(fù)荷升至10 MW，此過(guò)程各瓦振動(dòng)基本穩(wěn)定；7：17，將負(fù)荷升至15 MW，振動(dòng)有所上升，穩(wěn)定負(fù)荷后，觀察振動(dòng)變化情況。當(dāng)日上午，馬鋼華陽(yáng)設(shè)備診斷公司技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)機(jī)組1#～4#瓦以及基礎(chǔ)部位進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在各種負(fù)荷下汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)瓦的振動(dòng)均偏大（表1）。

表1 5 月13 日機(jī)組振動(dòng)速度有效值（2～1000 Hz）

從圖2 可以看出，汽輪機(jī)振動(dòng)以50 Hz 為主，發(fā)電機(jī)振動(dòng)以50 Hz、100 Hz 為主。根據(jù)以上信息結(jié)合診斷經(jīng)驗(yàn)初步判斷：①汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子平衡精度差；②發(fā)電機(jī)前后瓦存在瓦間隙不良；③軸承座地腳螺栓振動(dòng)分布不均勻，某些地腳螺算緊力不足。

圖2 5 月13 日機(jī)組振動(dòng)頻譜

現(xiàn)場(chǎng)考慮到機(jī)組振動(dòng)值始終偏高，認(rèn)為滿負(fù)荷運(yùn)行存在安全隱患，于17:35 機(jī)組停機(jī)。

2.2 對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查和檢修

5 月14—17 日對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查和檢修，主要內(nèi)容有：對(duì)瓦面進(jìn)行修刮；汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)中心復(fù)測(cè)；緊固發(fā)電機(jī)地腳螺栓、3#、4#瓦軸承座進(jìn)。5 月19 日開(kāi)機(jī)后，測(cè)試振動(dòng)值見(jiàn)表2。將表1、表2 進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)無(wú)明顯改善跡象，說(shuō)明隱患沒(méi)有真正消除。

表2 5 月19 日機(jī)組振動(dòng)速度有效值（2～1000 Hz）

需要注意的是，5 月19 日汽輪機(jī)振動(dòng)頻譜和波形沒(méi)有明顯變化，但是發(fā)電機(jī)頻譜除了50 Hz、100 Hz 振動(dòng)較大，出現(xiàn)了間隔為12.5 Hz 的分頻振動(dòng)，振動(dòng)波形也與之前不同，出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)頻以及12.5 Hz 的沖擊（圖3、圖4）。這說(shuō)明發(fā)電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)了變化，推測(cè)可能是發(fā)電機(jī)瓦間隙不良或瓦損傷等。汽輪機(jī)瓦振動(dòng)也可見(jiàn)分頻振動(dòng)的特點(diǎn)，但是其強(qiáng)度弱于發(fā)電機(jī)瓦，說(shuō)明振動(dòng)的變化主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)。

圖3 5 月19 日機(jī)組振動(dòng)頻譜

圖4 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)瓦水平（3H）振動(dòng)波形

2.3 對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面振動(dòng)測(cè)試

5 月31 日，機(jī)組因發(fā)電機(jī)二極管故障停機(jī)處理。6 月1 日再次開(kāi)機(jī)運(yùn)行，開(kāi)機(jī)后機(jī)組振動(dòng)逐步變大。6 月3 日上午，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全面的振動(dòng)測(cè)試（表3）。6 月18 日晚，在線監(jiān)控顯示2#瓦、4#瓦振動(dòng)突然增大，隨后降低機(jī)組負(fù)荷，振動(dòng)略有下降。6 月19 日上午對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全面的振動(dòng)測(cè)試（表4）。

表3 6 月3 日機(jī)組振動(dòng)速度有效值（2～1000 Hz）

表4 6 月19 日機(jī)組振動(dòng)速度有效值（2～1000 Hz）

對(duì)比表1～表4 可知，進(jìn)入6 月份以后，整機(jī)振動(dòng)明顯增大，說(shuō)明機(jī)組狀態(tài)存在持續(xù)惡化的趨勢(shì)，振動(dòng)逐步發(fā)展到嚴(yán)重超標(biāo)。汽輪機(jī)1#、2#瓦振動(dòng)超過(guò)8 mm/s，發(fā)電機(jī)4#瓦軸向振動(dòng)超過(guò)12 mm/s，機(jī)組處于“危險(xiǎn)”運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)測(cè)試可知，5 月中旬機(jī)組振動(dòng)增大后到6 月下旬一個(gè)多月來(lái)，整機(jī)振動(dòng)出現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)；調(diào)整負(fù)荷，振動(dòng)會(huì)發(fā)生變化；振動(dòng)以50 Hz、100 Hz 為主，屬于普通強(qiáng)迫振動(dòng)。5 月19日，發(fā)電機(jī)瓦振出現(xiàn)突然變化，沖擊振動(dòng)明顯，存在大量分頻振動(dòng)。特別是6 月18 日晚，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)瓦振再次突然變大，同時(shí)發(fā)電機(jī)4#瓦振動(dòng)也突然增大，機(jī)組振動(dòng)波動(dòng)大、無(wú)法滿負(fù)荷工作，最多只能上升到33 MW。

綜合分析認(rèn)為機(jī)組處于危險(xiǎn)狀態(tài)（“紅區(qū)”），存在重大隱患，判斷存在以下故障：

（1）汽輪機(jī)：①轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度差，葉片可能有損傷或存在動(dòng)靜摩擦；②軸瓦間隙不良，或瓦與瓦座配合不良。

（2）發(fā)電機(jī)：①兩端軸瓦間隙不良，或瓦與瓦座配合不良；②非驅(qū)動(dòng)側(cè)瓦基礎(chǔ)部位振動(dòng)大，部分地腳螺栓緊力不足。

2.4 對(duì)機(jī)組從啟動(dòng)至滿負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)

6 月23 日，某電科院對(duì)機(jī)組從啟動(dòng)至滿負(fù)荷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，主要對(duì)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的軸振、瓦振數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析。此次停機(jī)時(shí)間較短，為熱態(tài)啟機(jī)，最后負(fù)荷穩(wěn)定在30 MW。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)速3000 r/min 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)4#瓦軸振達(dá)到295 μm。負(fù)荷在30 MW 穩(wěn)定后，各瓦振動(dòng)值均較大，3#和4#瓦振動(dòng)值分別為180 μm、440 μm，振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)。因此，6 月24—25 日機(jī)組負(fù)荷只能維持在20 MW 以下。

2.5 測(cè)試結(jié)論

綜合以上多種情況下的測(cè)試和一個(gè)月來(lái)的跟蹤診斷分析，認(rèn)為應(yīng)該盡快安排檢修，建議：

（1）檢查汽輪機(jī)末級(jí)葉片狀況，校正汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子平衡。

（2）檢查汽輪機(jī)軸瓦以及發(fā)電機(jī)軸瓦情況。

（3）檢查發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)側(cè)基礎(chǔ)螺栓緊力。

另外，6 月19 日至停機(jī)前，汽輪機(jī)瓦溫有升高現(xiàn)象。6 月26 日機(jī)組停機(jī)，因電氣需要進(jìn)行匝間短路試驗(yàn)，再次啟動(dòng)時(shí)，升速至3000 r/min 時(shí)振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，已經(jīng)超過(guò)軸振動(dòng)探頭測(cè)量范圍，機(jī)組打閘停機(jī)，轉(zhuǎn)入檢修狀態(tài)。

3 檢修情況

（1）汽輪機(jī)第16 級(jí)有142 根葉片，檢查發(fā)現(xiàn)有5 根斷裂，其中約7 點(diǎn)鐘位置斷裂兩根、11 點(diǎn)鐘位置斷裂3 根（圖5）。根據(jù)端口、成分等數(shù)據(jù)判斷，某葉片出現(xiàn)疲勞和突然斷裂后，撞擊其他葉片并導(dǎo)致發(fā)生脆性斷裂故障。

圖5 汽輪機(jī)第16 級(jí)葉片斷裂

（2）汽輪機(jī)1#、2#瓦墊鐵脫空（僅20%接觸），2#瓦局部脫落、瓦面有擦傷，1#瓦基本正常。

（3）發(fā)電機(jī)3#、4#瓦嚴(yán)重剝落損壞（圖6）。

圖6 發(fā)電機(jī)瓦損壞

4 結(jié)論

葉片斷裂、脫落的典型特征是振動(dòng)趨勢(shì)呈階躍式、無(wú)過(guò)渡過(guò)程，斷裂后的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度破壞，振動(dòng)特征表現(xiàn)為不平衡特征。通過(guò)在線振動(dòng)趨勢(shì)并結(jié)合離線振動(dòng)測(cè)試，可以看出振動(dòng)突變基本是工頻能量的變化，葉片斷裂后繼而發(fā)生撞擊其他葉片，擴(kuò)大事故程度。通過(guò)故障分析判斷，準(zhǔn)確定位故障原因，避免事故繼續(xù)擴(kuò)大，縮短檢修工期。