汽轮机轴振动原因分析

张 威

(中原大化有限责任公司，河南濮阳 457000)

振动是机械设备的一种运动形式，是指机械设备在平衡位置上每隔一定时间作微小的有规则或无规则的反复运动，具有周期性。汽轮机在高速旋转中总是存在不同程度的振动。

1 振动原因与危害

1.1 透平轴振动引起的原因

引起透平轴振动的原因有：①测试系统发生故障(如探头松动、接线断裂)；②启动前暖机不充分，导致膨胀不均；③装置对中超标；④热膨胀使管路各动量超标；⑤从动机振动传递；⑥轴承、联轴节、内部零件损坏；⑦叶片断裂导致不平衡；⑧蒸汽压力、温度等的变化；⑨负荷、真空等的变化[1-3]。

1.2 振动的危害

振动产生的危害有：①机组部件连接松动，底料螺栓断裂；②机座(地板)二次灌体松动，基础产生裂缝；③汽轮机叶片应力过高，疲劳折断；④危机保安装置发生误动作；⑤通汽部件发生磨损，严重时可引起主轴弯曲；⑥滑销磨损、中心变动，严重时还会影响机组正常膨胀，导致静体碰擦；⑦轴承合金层破裂，紧固螺钉松脱、断裂；⑧被驱动机械损坏等[4-5]。透平振动过大时，会严重影响机组安全运行。

2 案例分析

2.1 透平振动波动分析

2016年2月以来，中原大化有限责任公司(以下简称中原大化)空压机组透平前轴承振值出现大幅度波动，最高振值已接近联锁，成为装置运行的重大隐患，机组随时可能发生跳车。透平振值波动示意见图1。

通过对近年来透平运行参数的对比研究，并对透平运行状况进行多次精密点检、评估，认为是转子不平衡造成的。结合分析结果得出，在目前情况下提高高压蒸汽品质、稳定蒸汽管网为主要有效措施。在各单位的配合下，操作人员认真巡检、精心操作，既保证对设备不造成损坏，又保证了装置高负荷运行。

从趋势图上标定区域看，高压蒸汽压力是振值波动的一个重要干扰因素，当维持高压蒸汽压力不低于9.2 MPa时，可基本遏制透平大幅振动。

2.2 主蒸汽压力对机组的影响

当主蒸汽温度和凝汽器真空不变而主蒸汽压力升高时，蒸汽在汽轮机内的焓降增大，末级排气湿度增加；主蒸汽压力升高时，即使调节气阀总开度不变，主蒸汽流量也将增加，机组负荷将增大，对经济运行有利。

危害：①末级叶片可能超负荷；②主蒸汽温度不变、蒸汽压力升高，将使末级蒸汽温度增大，末级动叶水滴冲蚀严重；③承压部件和紧固部件内应力会加大。

由于单方面提高蒸汽压力会造成危害，所以蒸汽压力超过允许变化范围时，不能在此压力下再继续运行。

2.3 透平结垢处理

2016年6月机组检修时拆开透平，发现转子结垢非常严重，转子结垢和气封损坏。结合精密点检综合判断为转子不平衡，抗干扰能力下降，级间汽封有损坏。转子返厂维修，结垢处进行喷砂处理。检修后各项运行参数得到明显改善，特别是影响装置稳定运行的重大隐患空压机组透平大幅波动问题得到解决，目前透平振值稳定。

2.4 汽轮机转子结垢的原因分析

汽轮机转子结垢主要是因为蒸汽带盐超标所致，高温蒸汽溶解的盐在汽轮机内由于蒸汽逐级做功，主蒸汽压力、温度不断下降，则析出沉积于汽轮机的通流部分，造成汽轮机转子积盐或积垢。蒸汽中含有的杂质将会使汽轮机通流部分被冲蚀、积垢和腐蚀，使汽轮机通流性能恶化，造成热效率降低和机械损伤，直接影响汽轮机的寿命。引起汽轮机转子结垢的原因有很多，但锅炉给水作为源头尤为重要。锅炉给水指标有悬浮物、溶解固形物、总硬度、总碱度、相对碱度、含油量、溶解氧、pH、磷酸根等。锅炉压力大于3.82 MPa时的给水水质要求见表1。

表1 锅炉压力大于3.82 MPa时的给水水质要求

从水质标准可知，锅炉水处理的任务是：①进入锅炉前的给水，尽可能降低其中的悬浮物、总硬度、含油量和溶解氧等。②锅炉中的锅炉水应尽量降低溶解固形物并保持一定的碱度，以便使水中的残余硬度经过不断的蒸发浓缩后形成水垢沉淀下来，然后在锅炉排污时除掉。

2.5 空压机透平转子结垢物分析

对空压机透平转子结垢物进行分析，其成分如下(质量分数)：NaCl 67.93%，Na2SO49.31%，酸不溶物9.18%，CaO 1.59%，MgO 1.53%，Fe2O31.21%，Al2O30.60%。透平结垢物中盐类含量最多，是因为蒸汽品质不良、锅炉给水含有杂质所致；另外，透平正常运行中凝汽器铜管泄漏，未能及时查漏堵漏，造成循环水直接进入到凝结水，使凝结水中含盐量升高。在透平正常运行中，凝汽器的主要作用一方面是使将汽轮机末端做过功的蒸汽在凝汽器内被循环水冷却变成冷凝液，在热井里积聚，最后被冷凝液泵外送给用户；另一方面是使凝汽器排气端保持负压。凝汽器铜管泄漏造成凝结水含盐量高，然后通过冷凝液泵输送给锅炉作为供给水生产蒸汽，加剧了透平转子结垢，破坏了转子的动平衡，进而引起了转子的轴端振动，造成大幅波动。

3 查找振动原因的几种方法

(1) 转速试验

判断振动和转子质量不平衡的关系，同时发现转子临界转速和工作转速的接近程度。

(2) 负荷试验

判断振动与机组中心热膨胀与转子质量不平衡的关系，以及传递力矩的部件(联轴器、变速齿轮)是否有缺陷。

(3) 轴承润滑油膜试验

判断振动是否由油膜不稳定、油膜被破坏或轴瓦紧力不当所引起。

(4) 励磁电流试验

判断振动是否为电气方面的原因所引起，以及由电气方面的哪些因素引起。

4 结语

引起透平振动的原因很多，要准确地进行判断并找出原因，需结合发生振动的现象以及工艺参数变化情况综合分析，对症下药，全方位诊断，方能药到病除。

参考文献

[1] 王仲奇，秦仁.透平机械原理[M].北京：机械工业出版社，1988.

[2] 陈岩.浅析汽轮机振动的原因[J].化工管理，2016(3)：19- 19.

[3] 席伟明.汽轮机振动分析与诊断技术[J].现代制造技术与装备，2016(3)：117- 119.

[4] 李新，刘全义，关小彪，等.空气压缩机汽轮机异常轴振动原因分析与处理[J].化肥工业，2011，38(5)：51- 52.

[5] 尚阳锋.蒸汽轮机异常振动的原因分析和处理措施[J].化肥设计，2004，42(2)：54- 55.