某電站汽輪機(jī)振動(dòng)異常原因分析

李 浩

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院,陜西 西安 710021)

振動(dòng)是汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中較為普遍的一種現(xiàn)象，其數(shù)值大小是評(píng)價(jià)機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)故障，均會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)問題。聯(lián)軸器作為聯(lián)接汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子的重要組成部分，出現(xiàn)松動(dòng)或失效現(xiàn)象，會(huì)形成新的擾動(dòng)力引發(fā)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)，影響機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)是引起振動(dòng)的常見故障，診斷不及時(shí)或故障判斷不準(zhǔn)確，可引起聯(lián)軸器螺栓斷裂，鍛煉的螺栓卡在聯(lián)軸器螺栓孔內(nèi)，造成聯(lián)軸器法蘭裂紋，造成轉(zhuǎn)子損壞事故，嚴(yán)重的可引起汽輪機(jī)超速或汽輪機(jī)飛車事故。聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)會(huì)影響軸系中心變化，也影響扭矩傳遞的均勻性，從而引起軸系振動(dòng)[1][2]。由螺栓松動(dòng)引起的軸系振動(dòng)容易在變負(fù)荷過程中發(fā)生，其頻率是基頻，且是突變過程。同時(shí)，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)振動(dòng)和機(jī)組低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)均會(huì)出現(xiàn)明顯變化[3][4]。

機(jī)組的支承結(jié)構(gòu)不同，一般分為單支承結(jié)構(gòu)或雙支承結(jié)構(gòu)，聯(lián)軸器相對(duì)與軸承的位置不同，由聯(lián)軸器故障引發(fā)的振動(dòng)特征會(huì)出現(xiàn)差異。對(duì)于單支承結(jié)構(gòu)，聯(lián)軸器在支承轉(zhuǎn)子的軸承跨內(nèi)，其故障可產(chǎn)生類似轉(zhuǎn)子裂紋的故障特征。對(duì)于雙支承轉(zhuǎn)子，聯(lián)軸器在轉(zhuǎn)子支承軸承的跨外，其振動(dòng)表現(xiàn)為一般聯(lián)軸器故障特征。本文通過一起汽輪機(jī)振動(dòng)異常分析和聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)診斷過程，總結(jié)了兩種支承結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)故障特征，為同類型機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)的故障診斷提供參考。

1 機(jī)組概述

某電站2號(hào)機(jī)組配備東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CZK200/160-12.7/0.294/535/535型亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽直接空冷、供熱凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。機(jī)組共有8個(gè)支承軸瓦。高壓轉(zhuǎn)子采取單支承結(jié)構(gòu)，1號(hào)軸承為高壓轉(zhuǎn)子支承軸承，2、3號(hào)軸承為中壓轉(zhuǎn)子支承軸承，4、5號(hào)軸承為低壓轉(zhuǎn)子支承軸承，6、7號(hào)軸承為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支承軸承，8號(hào)軸承為勵(lì)磁機(jī)支承軸承。1～7號(hào)軸承各有兩個(gè)X和Y向相對(duì)軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和一個(gè)軸承振動(dòng)測(cè)定，8號(hào)軸承無振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。該機(jī)組于2019年完成檢修，2021年，運(yùn)行中1瓦出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)，且停機(jī)過程振動(dòng)出現(xiàn)異常。

2 振動(dòng)特征

2.1 運(yùn)行中振動(dòng)變化特征

圖2為機(jī)組運(yùn)行中1、2、3、4、5瓦軸振變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定工況下，1、2、3、4、5瓦軸振均出現(xiàn)同步波動(dòng)，1、2、3瓦軸振波動(dòng)幅度大，振動(dòng)最大超過200μm。

表1為振動(dòng)波動(dòng)前后各瓦振動(dòng)值列表?？梢钥闯?，1瓦振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，振動(dòng)最大為358μm。主要為一倍頻變化，同時(shí)二倍頻出現(xiàn)明顯變化。3瓦二倍頻幅值變化較大。振動(dòng)變化時(shí)，1、2瓦間隙電壓變化明顯。

表1 變化前后振動(dòng)值對(duì)比

2.2 停機(jī)振動(dòng)變化特征

1瓦振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，電站申請(qǐng)停機(jī)檢查。圖3為機(jī)組停機(jī)過程1瓦Y向振動(dòng)bode圖?？梢钥闯鐾C(jī)過程1瓦Y向臨界區(qū)振動(dòng)出現(xiàn)跳變。歷次1瓦處測(cè)得臨界轉(zhuǎn)速在1800r/min至1834r/min之間，本次停機(jī)臨界轉(zhuǎn)速在1558r/min以下，臨界轉(zhuǎn)速明顯降低。

圖4為停機(jī)過程2瓦Y向二倍頻分量趨勢(shì)圖。可以看出，2瓦Y向振動(dòng)二倍頻明顯增加(歷次啟停機(jī)過程2瓦二倍頻分量均小于20μm)，且二倍頻振動(dòng)最大時(shí)，轉(zhuǎn)速為914r/min，為一階臨界轉(zhuǎn)速一般，即出現(xiàn)明顯負(fù)臨界現(xiàn)象。

表2為歷次啟停機(jī)振動(dòng)列表?？梢钥闯霰敬瓮C(jī)過程，2瓦Y向在393r/min時(shí)，振動(dòng)明顯增大，超過120μm。852r/min時(shí)，2瓦振動(dòng)明顯增大，且相比歷次振動(dòng)表現(xiàn)為反向。3瓦Y向在393r/min時(shí)，振動(dòng)明顯增大，相位變化較大。4瓦Y向在393r/min時(shí)相位變化較大。

表2 歷次啟停機(jī)各轉(zhuǎn)速下振動(dòng)值列表

3 振動(dòng)原因分析

3.1 運(yùn)行中1、2瓦振動(dòng)波動(dòng)原因分析

運(yùn)行中1瓦振動(dòng)頻繁波動(dòng)，主要表現(xiàn)為一倍頻，且振動(dòng)能在降負(fù)荷后恢復(fù)，診斷故障原因?yàn)閯?dòng)靜碰摩。同時(shí)間隙電壓出現(xiàn)明顯變化，說明在振動(dòng)變化時(shí)，轉(zhuǎn)子中心位置發(fā)生變化，也就是動(dòng)靜間隙發(fā)生變化，引起動(dòng)靜摩擦，產(chǎn)生振動(dòng)波動(dòng)。1、2、3瓦振動(dòng)變化最明顯且波動(dòng)頻繁，判斷摩擦部位為油檔部位。

3.2 停機(jī)過程1、2瓦振動(dòng)原因分析

停機(jī)過程1、2瓦振動(dòng)出現(xiàn)以下異常：1瓦出測(cè)得轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速明顯降低；低轉(zhuǎn)速2瓦振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)。2瓦處出現(xiàn)負(fù)臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間明顯降低說明轉(zhuǎn)子剛度或軸瓦支承剛度出現(xiàn)明顯減弱，及出現(xiàn)負(fù)臨界現(xiàn)象[1]。轉(zhuǎn)子剛度減弱的原因可能為出現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋或類似裂紋故障[5][6]。

轉(zhuǎn)子裂紋的主要特征有：(1)因轉(zhuǎn)子橫向裂紋破壞了轉(zhuǎn)子截面的對(duì)稱性，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)出現(xiàn)二倍頻振動(dòng)分量。(2)當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度后，轉(zhuǎn)軸會(huì)發(fā)生完全，這種彎曲后的轉(zhuǎn)子會(huì)使其低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的原始晃度發(fā)生變化。(3)升、降速過程中，轉(zhuǎn)子在通過一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)的基頻分量明顯增大，(4)通過1/2臨界轉(zhuǎn)速(即負(fù)臨界)時(shí)會(huì)出現(xiàn)1個(gè)明顯的二倍頻振動(dòng)峰值[6][7][8]。

根據(jù)以上振動(dòng)表現(xiàn)，與裂紋故障特征的第1、2、4條吻合。2號(hào)機(jī)組為高中壓轉(zhuǎn)子分缸結(jié)構(gòu)，高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子為三支承結(jié)構(gòu)，高壓轉(zhuǎn)子-中壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器在1瓦和2瓦之間，該支承結(jié)構(gòu)形式使聯(lián)軸器成為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸一部分。該處聯(lián)軸器出現(xiàn)螺栓松動(dòng)，運(yùn)行中聯(lián)軸器出現(xiàn)開合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子剛度降低，產(chǎn)生類似轉(zhuǎn)子裂紋的振動(dòng)特征，即轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速降低，出現(xiàn)負(fù)臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象，低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)超標(biāo)等異常。此外，聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)引起轉(zhuǎn)子剛度降低，引起轉(zhuǎn)子撓度變大，引起動(dòng)靜碰摩，出現(xiàn)運(yùn)行中1瓦振動(dòng)大幅波動(dòng)現(xiàn)象。低轉(zhuǎn)速下2瓦振動(dòng)值明顯大于以前啟停機(jī)過程對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的振動(dòng)值，而且相位反相，說明2瓦處轉(zhuǎn)子晃度明顯變化，1瓦臨界轉(zhuǎn)速區(qū)振動(dòng)出現(xiàn)異常跳變能夠佐證聯(lián)軸器松動(dòng)的判斷[6][7][8]。

軸瓦工作狀態(tài)出現(xiàn)異?；蜉S瓦出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，引起轉(zhuǎn)子中心位置變化，同樣會(huì)造成運(yùn)行中出現(xiàn)動(dòng)靜碰摩，引起1瓦振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象。同時(shí)，軸瓦工作狀態(tài)異常，造成支承剛度減弱，導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)速降低，低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)超標(biāo)等現(xiàn)象[9]。但軸瓦嚴(yán)重?fù)p壞后，該軸瓦或相鄰軸瓦溫度會(huì)出現(xiàn)明顯變化，實(shí)際中軸瓦溫度相對(duì)穩(wěn)定，故排除軸瓦故障的可能性。

3.3 3、4瓦振動(dòng)原因分析

運(yùn)行中3、4瓦振動(dòng)出現(xiàn)頻繁波動(dòng)，且低轉(zhuǎn)速下3、4瓦振動(dòng)幅值或相位變化較大，同樣能夠判斷出中壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器出現(xiàn)松動(dòng)故障，造成軸系穩(wěn)定性下降，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)抗干擾能力下降，易引起振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象。此外，中壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)，運(yùn)行中出現(xiàn)周向或徑向位移，改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡質(zhì)量分布，表現(xiàn)為一倍頻變化。

松動(dòng)后對(duì)中狀況發(fā)生變化，引起低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)值變化。由于該聯(lián)軸器處于中壓轉(zhuǎn)子或低壓轉(zhuǎn)子跨外，故未能引起臨界轉(zhuǎn)速降低、負(fù)臨界、二倍頻振動(dòng)增大等類似轉(zhuǎn)子裂紋現(xiàn)象。

4 檢修檢查結(jié)果

檢修檢查發(fā)現(xiàn)，高壓轉(zhuǎn)子-中壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓共12根全部出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，中壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓共12根全部出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，軸瓦無異常。復(fù)緊聯(lián)軸器螺栓后，機(jī)組啟動(dòng)過程bode圖形態(tài)與歷次無明顯差異，臨界轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常，運(yùn)行中振動(dòng)穩(wěn)定。

分析螺栓松動(dòng)原因，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在2019年大修時(shí)，未按照制造廠規(guī)定，使用專用工具，測(cè)量聯(lián)軸器螺栓伸長(zhǎng)量，只是依照經(jīng)驗(yàn)將螺栓打緊，導(dǎo)致某些螺栓預(yù)緊力不足。在機(jī)組啟停及負(fù)荷變動(dòng)過程中，產(chǎn)生的交變應(yīng)力使該聯(lián)軸器全部螺栓預(yù)緊力下降，最終引起螺栓松動(dòng)。

5 結(jié)論

聯(lián)軸器出現(xiàn)松動(dòng)故障，一般表現(xiàn)為運(yùn)行中振動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，振動(dòng)特征主要為一倍頻，低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)值明顯變化(包括幅值或相位)等。

對(duì)于兩轉(zhuǎn)子三支承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器在支承軸瓦跨內(nèi)，該聯(lián)軸器螺栓松動(dòng)，在機(jī)組運(yùn)行中可產(chǎn)生類似轉(zhuǎn)子裂紋故障特征，如啟動(dòng)、停機(jī)過程bode圖形態(tài)異常變化，臨界轉(zhuǎn)速明顯降低，出現(xiàn)負(fù)臨界轉(zhuǎn)速等。

機(jī)組檢修時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照制造廠要求的檢修工藝，對(duì)聯(lián)軸器螺栓伸長(zhǎng)量、預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)量，防止出現(xiàn)漏緊或預(yù)緊力不足現(xiàn)象。