轴系断裂的防范措施

周 轶，崔 野

中电投电力工程有限公司烟台分公司，山东烟台 265116

多年以来，国内先后发生了数十起大型汽轮发电机组轴系断裂灾难性事故，给国民经济造成了巨大经济损失。这些事故破坏程度一次比一次严重，原因越来越复杂。国内外已发生的轴系断裂事故表明，大都发生在机组严重超速事故中，其技术原因除超速产生的离心力、剧烈振动引起的破坏外，还与轴系连接件质量不良有关。

对某些事故的原因与责任，当时的专家调查组已有定论。而对事故断轴的内在起因、过程、机理，尽管现今的转子动力学、振动力学、断裂力学等以有的方法和研究结论可以局部的说明，但对于关键疑点，至今仍无法从学术和技术角度给出清晰、明确的解释。

更为重要的是，类似上述的恶性事故至今仍在继续发生。近一二十年来，日本关西省海南电站600mW机组、美国GE公司900mW机组（安装在台湾核三电站）以及其他一些国外大型机组，也相继发生过类似的断轴事故。

这些屡发的断轴毁机事故以及更多存在的事故苗头，对目前国内太熟剧增的容量、高参数汽轮机组的安全稳定运行，构成了严重的威胁。防止和杜绝大型发电成套关键设备毁坏事故的重演，是一项重要的课题。

对国内外这些事故的分析表明，事故原因主要有两大类：材质缺陷和振动。从发生是故事机组所处的工况统计，约有50%以上是在制造厂内试车或进行危急保安器超速试验过程中发生的，约30%是在启动过程中发生的。

轴系恶性断裂与机组一般的重大事故不同，它们会带来巨大的经济损失和不利的社会影响。根据现今技术的发展，可以断言，这种事故是完全可以防范的。从设计制造方面提高大机组轴系的安全可靠性，从运行方面强化有效的振动监测手段，推行严格科学的设备检修管理办法，这对防止大机组轴系断裂事故是非常有意义的。

1 振动状态监测和检修方面的防范措施

1.1 加强振动状态监测

轴系断裂恶性事故发生的两大原因，一是振动，一是材质。从现有的国内外事故发生前后的记录看，无论哪一种原因，断轴发生前在振动上都有所反应。这是因为转子部件强度或刚度的恶化要有一定的时间，轴承瓦盖的松动、联轴器螺栓或瓦盖螺栓的损坏、转轴裂纹的扩展，都不会在数秒内使转子强度从完全正常的状态发展到极限，这个发展过程有时会很长。从机组整体来看，在轴系毁坏后期过程中，多数部件的破坏可能较快，但事故前期造成起因的个别关键部件的状况必定有一个缓慢变化的过程。

这里，叶片的断裂应该排除在外，它是突发性的，可以在事先毫无迹象的极短时间内发生。但是，如果叶片断裂后进一步造成转轴断裂，这必定需要时间。

转轴材质缺陷造成的轴系断裂事故也是如此。裂纹的产生与扩展同样需要一个时间过程。这种情况对判断机组——转子状态提供了有利的条件。由此，对大型机组的振动状态监测是保证机组安全，防止轴系断裂事故发生的一条十分有效的措施。问题的关键是如何从事故发生前的蛛丝马迹中及时准确地做出判断。为此应该具备如下两个基本条件：

1）完善的监测系统。它应该精确、快速、高效率地提供所需的大量数据；

2）具有根据振动现象对机组故障和状态进行分析判断的知识和经验。

随着计算机技术的发展，第一个基本条件已经具备，现代大型机组配备的振动监测系统有些已经能够满足要求。对于第二个条件，到目前为止，尚没有非人工的系统能够实现。

1.2 检查

定期对大轴、大轴内孔、发电机转子护环等部件进行探伤检查，以防止产生裂纹导致轴系严重损坏事故。

1.3 检修

对于今后的大容量汽轮发电机组，振动问题越来越重要。不仅在结构上，在安装和时运方面也必须比以往更加注重振动问题。安装过程中，必须保证有完善的轴承安装实施措施，确保轴承的安装与紧固；完善的动平衡措施；对于共振转速和各临界转速，因该是先明确规定振动的上限和过大振动的应急处理方法。

2 设计阶段对轴系事故的防范原则

从防止大型机组轴系发生断裂的角度出发，轴系动特性设计要求考虑轴系具有承受突发的大不平衡的能力，如叶片飞脱和大的扭矩；并且要求保证转子相对刚提的长久对中。

轴系非线性振动的研究结果增加了对大容量汽轮机大不平衡引起的振动的理解，但尚有许多方面目前还没有涉及到。对将来应进行的研究工作和研究结果的实际应用提出下述建议：

1）鉴于前面的原因，建议给予轴承设计与重要性相称的重视；

2）还应进行同类内容更广泛的研究和分析，对现在所有的大容量汽轮发电机组上所采用的轴承结构进行评价，以向电力部门提供用各种现已采用的轴承结构来避免机组发生大不平衡事故的知道方法；

3）应进行类似的分析来研究新的轴承设计，以最大限度地避免大不平衡事故，同事又满足对现有设计有影响的其它实际限制条件。应该检验轴承内部结构细节以及轴承结构的支撑特性；

4）“重载”挤压油膜阻尼器现在引起了广泛的研究兴趣。除了因汽轮机、压气机或风机在运行中丧失叶片的事故而产生大不平衡情况外，这种阻尼器预期还能保持“潜伏状态”，大的振动能自动激发这种阻尼器。为了评价挤压油膜阻尼器能否更好地控制汽轮发电机组大不平衡引起的振动，应该对这种阻尼器进行分析；

5）在大不平衡紧急故障期间，应该进行分析和试验确定在轴承丧失其控制大不平衡引起的振动的正常能力以前，各种轴承结构的承受能力究竟有多大？这对于可倾瓦径向轴承是特别重要的，因为这种结构视乎最有可能防止这类事故；

6）在大不平衡状态下，转子跨距中间位置（两轴承之间）的振动可以大到足以引起转动和非转动部件之间的严重冲击和摩擦。在以后的非先行动力学分析中，应包括这些因素，以确定严重摩擦和冲击现象对振动水平的影响；

7）鉴于非线形动力学分析结果具有重要意义，在实验室试验模型上对这类分析进行试验验证是迫切希望的，也是很合理的。

3 结论

机组主、辅设备的保护装置必须正常投入，已有振动监测保护装置的机组，振动超限跳机保护应投入运行；机组正常运行瓦振、轴振应达到有关标准的优良范围，并注意监视变化趋势。

不合格的转子禁止使用，已经过主管部门批准并投入运行的有缺陷的转子应进行技术评定，根据机组的具体情况、缺陷性质制定运行安全措施，并报主管部门审批后执行。

[1]陆颂元.国产200mW汽轮发电机组振动稳定性[J].电力技术，1992，2.

[2]张游祖.两台200mW机组断轴事故分析[D].全国第二届转子动力学学术讨论会论文集，1989.

[3]防止国产200mW机组轴系断裂事故暂行措施[J].电力建设，1988 (10).

[4]陆颂元，汽轮发电机组大不平衡非线性振动与轴系事故[J].动力工程，1994，6.