某台12MW背压式汽轮机轴承乌金碎裂分析

李青山　杨春雪

摘 要：天津大沽化热电分厂3#汽轮机是由南京汽轮机厂生产的背压式汽轮机，额定负荷12MW，机组每次例行小修总是发现1#轴承乌金碎裂，但机组在运行中带负荷时轴振比较稳定，轴瓦振动与轴瓦温度均正常。分厂与制造厂家曾提过很多次解决方案，但效果总是不明显，以至机组长时间带病运行。本次对机组的大修改造中发现了导致机组频繁碎瓦的原因所在，机组存在的安全隐患得以彻底消除。

关键词：背压机组；转子；后汽封套筒；轴瓦

1 3#汽轮机组简介

3#汽轮机组是南京汽轮机厂生产的12MW单缸次高压冲动背压式机组，额定进汽量145t/h，额定进汽压力5.0Mpa（表），排汽压力0.98Mpa（表）。转子的结构为一个双列复速级，三个压力级，叶轮与转轴的连接方式为套装，支撑方式为椭圆瓦支撑。机组自投产后一直存在轴瓦振动大以及带不满负荷（最高10500kw）、汽耗高、调速系统摆动大、轴瓦振动大的缺陷。1997年转子因振动问题复速级叶轮叶片及压力级叶轮断叶片返厂大修。2003年为了解决轴瓦振动大问题，转子返厂检修厂家检查发现转子弯曲，怀疑是后汽封两个套筒过长引起的，将后汽封的两个长套筒中间切开变成四个短套筒，以消除套筒与转子之间因同轴度导致转子弯曲问题，但由于转轴上没有与四个套筒相对应的轴肩，套筒只能采用采用螺钉径向定位，此系为第一次改造。改造后，轴瓦振动得到了改善。但却产生了新的问题， 1#瓦碎瓦。为了找到瓦振合格但轴瓦频繁碎裂的原因，当时请了天津电科院的技术人员对转子振动进行监测，监测后发现转子在运行存在振动跳动现象，尤其是在加减负荷时尤其明显。电科院技术人员对碎瓦给出的结论是蒸汽转子通流中有扰动，扰动力导致转子出现不规律的振动突变从而产生激振力，激振力作用在轴瓦钨金上，使得轴瓦钨金疲劳碎裂。为了解决碎瓦问题，制造厂家也多次提出过很多方案，但效果一直不明显。2005年为了解决上述问题，由哈尔滨汽轮机厂对其进行了第二次改造，更换了转子叶轮及叶片、隔板及叶片，前汽封套筒，因预算问题保留了老转轴以及后汽封套筒的结构形式。改造后带不满负荷问题得以消除，汽耗也有了明显的改善，但轴振大碎瓦问题依然存在，到2012年3月为止3#机一直处于带病运行状态。2012年12月21日，3#机1#瓦温在油温保持不变的情况下波动，从54℃～59℃，滤油时发现油纸发黑，根据分厂安排停机检修。检修时发现1#瓦下瓦乌金碎，上瓦乌金碎，更换1#瓦上下瓦。2013年1月11日在小修换瓦后再次启动，在转速达到1033rpm时，1#瓦轴振X向达到200um，无法中速暖机，分厂决定停机讨论方案。在讨论中初步认定3#机的转子可能存在永久性的弯曲或者套装部件出现热松动导致动静摩擦，已经不具备开机运行条件，遂上报申请大修改造。

2 问题的发现

第三次改造得到公司的批准后，转子返厂检修。制造厂将转子在专用的机床上对转子的各级叶轮径向与轴系跳动进了测量。

从数据中可以看出，叶轮的断面跳动超过允许值，说明转子的弯曲度超标，但超标是叶轮安装偏差还是转轴弯曲引起的，需要通过将叶轮拆装后判断。因此制造厂对转子的各部件进行热拆，并对各级叶轮的内孔及转轴的弯曲度进仔细的测量。在对光轴的测量时发现转轴存在重大缺陷，转轴的弯曲度超标，弯曲度最大在第三级叶轮的轴肩处最大0.13mm，两端0.07mm，最大值方向一致。制造厂出厂的标准是不超过最大弯曲度不超过0.06。从理论上我们知道，转子弯曲度大与转子存在重量不平衡对转子的影响是一样的，会导致转子振动振幅增大。转子组装后给动平衡带来很大的难度甚至无法平衡。平衡后的残余不平衡量导致长期的轴振将对轴瓦的碎裂有着直接的影响，这也是导致3#机碎瓦的主要原因之一。这也同时解释了第一次改造时后轴封的两个长套筒被切割成四个短套筒后诱发了碎瓦，套筒的切割释放了转子的弯曲。切割后的套筒无法利用轴肩轴向定位，径向螺钉的连接强度达不到运行中对热应力的要求。运行中发生热松动加剧了轴振的强度。

3 问题的处理

3.1 老轴出现轴弯曲后，厂家可以通过直轴工艺对转轴直轴，但要求较高的热处理工艺，质量不好保证，费用比较高昂。介于后轴封套筒没有轴肩，若更换转轴后可以重新加工出轴肩，以解决后轴封套筒第一次改造后可能诱发的缺陷。因此公司决定将主轴更换。并且利用重新加工轴的机会，将1#瓦的轴颈从160mm增加到170mm。这样做的目的是为了提高转轴的抗弯刚度。3#机组与同类型机组相比有一个特点，压力级设计少一级，一般为4级。但转轴比其他机组的转轴细，同类型的机组1#瓦处的轴颈一般设计为180mm。将160mm与170mm分别带入上式，两式相比我们可以计算出改造后转轴的抗弯强度是改造前的1.3倍。与之相匹配的将1#轴瓦内径改为170mm。

3.2 在主轴上后轴封套筒部位加工轴肩，后汽封套筒用轴肩定位。确保汽封套筒与转轴之间是过盈配合，而不是原转轴汽封套筒与转轴之间的间隙或过渡配合只能采用螺钉径向定位的方式，防止套筒的热位移。转子经过热处理车床磨床加工等一系列机械加工后，测量转轴的径向跳动在不超过0.03mm，完全合格。将各汽封套筒以及叶轮热装到新转轴上，套装后对转子的各级叶轮及端面机轮缘跳动测量，各项数据均合格。与改造前相比，改造后的主轴以及各级叶轮的跳动都由了明显的改善。改造的其他部分如轴承座的相应改造以及汽缸汽封体的调整就不再一一叙述。

4 改造后启动各项数据

3#机于2013年6月6日启动，启动过临界时3#瓦处的临界瓦振最大0.71mm，1#瓦瓦温从47.3℃上升至63.4℃并稳定。带负荷后，机组的轴振均后了明显的改善，除了在临界振动处超过200μm外，其余时间轴振都没有超过80μm，稳定带负荷后2#瓦轴振保持在60μm。2013年7月25日3#机大修改造后为了对轴瓦运行情况做一个检验，并对改造效果做一个评估，停3#机检修。8月13日机组冷却后打开前轴承箱检查1#瓦，1#瓦运行正常。至此持续多年的影响机组安全的重大隐患得以成功消除，改造取得了圆满的成功。

5 结束语

汽轮机转子发生永久性弯曲事故，是火力发电厂的重大恶性事故之一。它不仅增加机组的非计划停运时间，而且还要耗用相当多的检修费用，是火力发电厂绝对不愿意发生的事。造成大轴弯曲的因素是多方面的，但从永久性弯曲特征上归纳，主要有两类：一类是转子振动使汽封或轴封动静间隙消失而产生摩擦。另一类是汽缸进冷水，使转子局部受到急剧冷却。本文所涉及到显然属于第一类，长期的转子振动使转子疲劳弯曲。但转子的永久性弯曲在超标不严重时有具有隐蔽性。如本文中3#机转子在检修中用扬度测量仪测量时并没有发现弯曲度超标，大修时难以发现此类故障，因此导致缺陷多年没有得到解决。也只有在将所有的其他可能导致转子振动增大的因素全部排除后，最后一招就是拆掉转子的套装部件测量转轴的弯曲度才会得到最终的验证。但这会给检修打来很大的工作量以及昂贵的检修费用，因此在运行加强运行管理显得尤为重要。