汽轮机间歇性振动故障的处理方法

李森林

（上海金联热电有限公司，上海 201506）

汽轮机间歇性振动故障的处理方法

李森林

（上海金联热电有限公司，上海 201506）

在背压汽轮机组出现间歇性振动时，首先通过汽缸位移值监视、振动频谱监视进行故障排除分析，初步缩小故障原因范围，通过设备检查找到主要问题。此方法可在不揭缸的情况下有效解决背压机组间歇性振动故障，可为同类设备的故障诊断和处理提供参考。

汽轮机；间歇性振动；故障；处理方法

近年来，我国热电厂有了更多的发展机遇，同时也肩负着对社会供电稳定性的责任，汽轮机作为热电厂设备的重要组成部分，其运行状态好坏直接影响供电可靠性、企业的安全生产以及企业的经济效益，振动是直接关系到汽轮发电机组正常运行的一项重要技术指标[1]。随着电厂自动化程度的提高，必然要求设备的可靠性增强，机组参数的提高和容量的增加，使得机组轴系增长，机组振动增大的可能性增加，并且一旦发生事故，造成的经济损失巨大，而汽轮机间歇性振动故障是机组振动类型中最难消除的缺陷[2]。由于汽轮机的作为电厂的三大主要设备之一，对汽轮机振动的研究从20世纪60年代就引起了世界相关人士的重视，国内在基础理论研究方面也做了大量工作，并取得许多成果，但具有突破性成果较少，在工程应用方面也缺少关键性进展，理论方面的研究有很多，比如对汽轮机碰磨引起的振动就分为以高校为主的研究人员针对简化模型所做的以理论和实验为主的研究,另一类是研究所和工厂为主的研究技术人员针对现场故障进行分析、排除和总结[3]。汽轮机组设备运行状况是否良好一般会通过机组转子的振动表现出来，汽轮机振动监测与故障诊断技术的研究已经进行了数十年，积累了丰富的成果和实际经验，汽轮机轴系振动通常具有很强的谐波性，轴系故障也多表现为某些谐波成分的变化，因而功率谱分析技术在故障特征提取中得到广泛应用。但是功率谱分析存在3个主要缺陷：不能揭示由于机械设备非线性而产生的二次相位耦合现象；不能处理工程实际信号中存在的大量非高斯随机信号；丢失了原始信号中的相位信息。而大型机组结构及运行状态复杂、故障类型较多，转子-轴承系统存在非线性特性，导致振动测量信号千变万化，往往存在非平稳、非线性成分以及各类干扰噪声，不同类型故障可能造成信号同一谐波成分的变化，故障信息交叉和混合，给故障特征的提取带来困难，因此功率谱分析在一定程度上受到限制[4]。对于发电企业来说，怎么解决汽轮机振动故障的实际问题是最重要的，国内市场上目前对汽轮机振动频谱的检测设备虽然它对机组的普通振动有良好的确诊方法，但它面对机组间歇性振动的复杂性以及诊断人员技术能力的参差不齐，很多情况下无法精密诊断故障原因和识别、判断故障的严重程度，不能为企业科学检修指明方向。热电企业只有靠经验来消除机组的间歇性振动，很多公司为了消除汽轮机间歇性振动可能花费一两年时间，由此花费了大量的人力、物力、财力。本文结合工程实例，详细介绍了处理此类型汽轮机间歇性振动故障的分析与处理方法，在不揭缸的情况下便捷的解决企业类似的实际难题。

1 情况介绍

某热电厂用杭州汽轮机厂生产的HG32/20/10型汽轮机，汽轮机运行正常时#2轴瓦处轴振动维持在25 μ m左右，振幅开始出现波动后，振幅波动会间歇性反复发生，正常→发生一次波动（有时到振动报警跳机值）→回落到正常值，汽轮机#1轴瓦轴振动跟随变化较小，振动的发生与工况负荷、转速、油温关系不大，振动发生时间间隔没有规律可循，多数间歇性振动发生后会自动恢复正常（振幅达到跳机保护值除外）。机组由汽机、齿轮箱、发电机组成，共有6只轴承，每只轴承处有X相和Y相轴系振幅值在线检测。

2 故障分析

鉴于现场能引起汽轮机间歇性振动的原因有很多，我们采用了机组3500软件和ADR E5软件对机组运行工况下的振动信号进行采样和分析，以便缩小故障原因的范围。汽轮机在额定转速8923 r/min，额定负荷6 MW正常运行时振幅维持在20～33 μ m之间变化，当间歇性振动出现时振幅会超过30 μ m，间歇性轴振时只有#2轴承（即汽机后轴承）处轴X相、Y相振幅波动比较大，#1轴承处（即汽机前轴承）轴X相、Y相振幅跟随变化微小，其他轴承处轴振动幅值基本维持正常，间歇性振动振幅值时高时低到一定高度又恢复正常运行，振动时间间隔没有规律（见表1），振动幅值会在不定时间超过机组振动保护值而跳机。

汽轮机在额定转速8 923 r/min，额定负荷6 MW运行正常时，汽轮机轴系6只轴承处轴振动X相、Y相频谱的通频、工频、相位基本维持不变（见表2）。

在汽轮机额定负荷运行发生间歇性振动时，其他轴瓦处频谱图基本维持不变，间歇性振动前后轴心轨迹为椭圆形,重复性较好无发散和紊乱，无明显尖角，轴心轨迹均为正进动，剔除振动波动以及转速变化的影响，开机以来轴振动长期趋势没有增长迹象。只有汽轮机#2轴承处轴振动X相、Y相1倍频振动趋势变化，通频跟随变化，相位也跟随变化，振动趋势变化呈现波浪型趋势，维持在一定范围内波动，波动一定时间后又恢复正常，1X相位趋势维持在160～240区间波动，1Y相位趋势维持在260～340区间波动（见图1）。

表1 汽轮机振幅监视值 μ m

表2 汽轮机正常运行轴系频谱表

图1 #2轴瓦处轴振动X相、Y相1倍频振动趋势图

通过对汽轮机振幅监视值、汽轮机振动频谱值分析，结合汽轮机动静摩擦作用力分析及转子振动方程式[5]：

式中：M为转子质量，C1为横向振动阻尼系数，K1为横向变形刚度系数。

式中：C2为轴向振动阻尼系数，K2为轴向变形刚度系数。

式中：J为转动惯量，C3为扭振阻尼系数，K3为扭曲变形刚度系数，G=Г·r

得出本次汽轮机间歇性振动的原因为动静间歇性、轻微摩擦引起的结论。由此可以排除[6-9]：转子弯曲永久变形、汽轮机汽缸内部与转子动静间隙小导致摩擦、汽缸变形。间歇性、轻微的动静摩擦部位可能发生以下方面：轴承油挡齿（材质软铝）及轴承箱油封齿（材质软铝）与转子有存在间歇性摩擦的可能；汽封处饱和蒸汽结垢引起垢质与转子间歇性摩擦引起振动，而汽轮机蒸汽品质该电厂有严格的质量监控体系，发生结垢的可能性极小。所以下一步只需要检查汽轮机的油档和油封部位，无需对汽轮机进行揭缸检查。

3 机组检查与分析

2015年7月对HG32/20/10型汽轮机进行有针对性的停机检查，主要检查部位为轴系轴瓦处的油档、油封，拆开#1轴承箱时发现油封内最外侧一道槽油碳化结焦严重，并且碳化油焦有一定的硬度，油封泄油孔保持畅通没有堵塞（见图2）。

现象分析[10-11]：

油封泄油孔没有堵塞说明油封不存在泄油不畅的情况；该电厂润滑油为L-TSA46#汽轮机油，闪点≥180℃，实际运行时油封最外侧温度≤130℃（汽轮机运行时用测温枪测得实际温度），油封最外侧与转子接洽处温度≤150℃（汽轮机运行时用测温枪测得实际温度），汽轮机运行时油封处温度均小于180℃，说明油封处润滑油碳化结焦不是由于1#轴承处汽缸保温不好导致温度过高传热至油封引起，油封最外侧槽碳化结焦的原因是当汽轮机轴在额定速度8923 r/min运转时，油封最外侧槽只存在极少量的润滑油，极少量的润滑油及杂质与高速运转的汽轮机轴反复碰撞摩擦产生局部高温，而极少量的润滑油滞留带不走碰撞摩擦产生的温度，此处产生局部高温导致润滑油碳化结焦，当碳化结焦块堆积满油封最外侧槽与转子接触时，较硬的碳化结焦块与汽轮机高速转子产生碰撞摩擦、挤压而引起汽轮机振动，较高振动过后会消减一部分较硬碳化结焦块，当较硬的碳化结焦块不与汽轮机轴接触时振动恢复正常，由此表现出来的是机组一个间歇性振动发生后振动恢复正常；而极少量的润滑油会源源不断流到此处，继续高温碳化结焦，堆积到与机组高速轴接触而再一次碰撞摩擦、挤压导致汽轮机振动。

如此反复，汽轮机运行时表现出来的就是汽轮机轴间歇性振动。最后当油封最外侧槽润滑油的高温碳化结焦块挤压到很高的硬度后再与汽轮机轴接触时，就会产生一次较强烈的振动而导致振幅值超过保护而跳闸事故跳机，这与该汽轮机运行时的实际情况完全吻合。

图2 油封最外侧槽内油碳化结焦图

4 故障处理方法

针对主要原因采取了以下方法：（1）泄油孔增大：油封内的泄油孔从ø8增加到ø10，增加泄油量避免有极少量润滑油流经油封最外侧槽内与汽轮机转子发生碰撞摩擦、挤压产生高温碳化结焦的情况。（2）油封油挡改变：安装时将油封最外侧槽的两片软铝质齿比油封前面槽的软铝质齿高0.02 mm,进一步阻挡润滑油流经油封最外侧槽内。（3）油封增加吹扫空气：改型后的油封如图3所示。油封从充气接口处引入0.03 MPa（压力由轴承箱内润滑油压和排油烟风机的负压决定）的洁净压缩空气，充气接口1与环形腔室A联通，压缩空气经a、b（油封上下两半各有3个）孔道流经环形腔室B，由油封间隙从两侧排除，这样一方面可以杜绝轴承座内回油向外泄漏，另外一方面也将冲向轴承座的汽封漏汽及杂质吹除掉，从而减少传到轴承座的热量和污染，油封下半有泄油孔将油回流至轴承座内。

图3 改进型油封

经过以上改造处理以后，汽轮机运行至今没有再发生间隙性振动的故障。

5 结语

通过以上的故障分析和处理方法，让我们对机组存在的潜在故障有所了解，然后制定出具有针对性的检修方案，缩短了处理此类故障的时间，提高了处理过程的工作效率；对油封的改造也永久性消除了油封再次积碳结焦的缺陷，为机组的经济、安全运行提供有力的保障，并为同行处理此类故障提供了参考。引起汽轮机间歇性振动的原因有许多，下一步应继续研究其他原因引起的汽轮机间歇性振动。

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[5]金建国，刘钟杰，苏同敏.基于声发射信号的汽轮机动静摩擦检测[J].东北电力学院学报，2002,06,22(2),36～39.

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1671-0711（2016）10（上）-0041-03