电厂汽机摩擦振动故障分析与诊断

徐军锋

（华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

蒸汽轮机中的静态和动态摩擦是引起摩擦振动的常见原因，对汽轮机摩擦振动故障准确的诊断和检查对于提高机器安全性能非常重要。目前，在诊断摩擦误差时，主要根据振动，频谱，波形或轴轨迹的变化来分析振动特性。本文结合320 MW发电机的摩擦振动特性，通过进行分析，以改善汽轮机在启动过程中摩擦振动的性能，分析摩擦振动的特性找出发生故障的原因，提出了一种防止发生故障的方法，同时，为提升汽轮机的整体性能起着非常重要的作用[1]。

1 摩擦原因

动态和静态摩擦问题通常会导致汽轮机其他部件失效问题，例如：导致转子弯曲，它会加剧块体振动的恶化，导致大轴完全弯曲或块体破裂。导致摩擦振动故障的主要原因如下。

（1）转轴振动过大。当旋转轴的振幅超过振动动态和静态偏差时，摩擦振动可能就会发生损坏。

（2）动静间隙不足。设计空间值太小，安装空间太小，或间隔调整不符合安装和维护等要求，导致摩擦振动发生故障。

（3）缸体跑偏、弯曲和变形。如果上辊和下辊之间的温差大并且预热时间不足，则辊可能变形甚至弯曲变形，这也是造成摩擦振动发生故障的一个很大原因。

（4）转子和轴承的不对称。旋转部件的变形和位移，转子和轴承中心不对称，在最外侧导致整个转子倾斜，如果发生下面情况可能会导致摩擦性故障在短时间内迅速增加：①摩擦误差。②摩擦失效类型的故障：振幅连续变化，波动没有明显的规律。

2 振动特点及诊断分析

2.1 振动特点

发电厂的摩擦振动型号主要有N320-16.2 和540。汽轮机由轴，加热器，3 个蒸汽缸和脉冲冷凝装置组成。轴系统包括高压转子，压力转子，低压转子，发电机转子，母转子等轴承组成。高压转子和压力转子由3 个轴承和另一个转子组成，这是中压缸的启动模式，即中压缸的蒸汽缸。一旦蒸汽参数达到特定要求，来自高压汽缸末级的蒸汽就会迅速加热，就是所谓的高压缸被加热。

从2012 年3 月31 日开始进行第一次启动，启动过程，高压缸倒暖电动门，4X 轴振达到138 μm 后，打闸停机。盘车6 h 第二次启动，刚达1440 r/min 时，4X 轴振为102 μm，7 min 后4X 轴振动水平达到170 μm，5X 达到126 μm。在速度降至1250 r/min 时暖机4 h 后4X 轴振动保持在84 μm，速度在3000 r/min，5X 达到122 μm。固定速度4X 达到152 μm。该设备在4 月1 日上午9 点39 分连接到电网，在带负荷过程中2W 轴，3W 轴，4W 轴和5W 轴振直接线加，特别是4W 轴，5W轴达到了220 μm，立即打闸停机。

2.2 机组及振动情况

电厂汽轮机型号535 和N135-13.24，发电机型号WX21Z-073LLT，上海汽轮机厂和山东济南发动机厂制造。该装置的轴系统包括高压和中压转子、低压转子、发电机转子和气缸转子。高压，中压转子和低压转子是汽轮机的支撑部件，该系统结构于2010 年8 月20 日建立。当机器装载开始时，轴承2 次和3 次摩擦振动超过标准现象，在汽轮机启动过程中观察摩擦振动的特性，然后根据设备的振动趋势对振动数据进行进一步分析，假设不包括以下误差：①装置的振动特性评价，仅用装置达到3000 r/min；②振动表现出快速恢复现象，2个轴承的X 轴振动从10 h 迅速变化到15 h。振动数据的幅度呈现出快速增长状态，并且振动的幅度在短时间内显着增加。根据上述振动特性，初步估计发生摩擦故障的原因。

2.3 诊断分析

基于上述振动特性，每个转子的振动可以确定为静摩擦和动摩擦。动态和静态摩擦主要发生在调试或维修新机器以及维修之后。随着速度和负载的增加，径向间隙可以在明显的振动后进行移动，从而减少磨损。在加热期间，轴的振动逐渐增加。这是因为加热凸缘和双头螺栓的温度与气缸温度不匹配，从而导致高压气缸膨胀。

在启动期间减小设备负载，可以提升转动速度，蒸汽温度上升更快并且气缸更快膨胀。当高压缸的差异膨胀超过1.7 mm或平均压力的差异膨胀为正时，轴振动将会呈现2W 并且3W的增长趋势，同时，汽轮机切割滚筒也会影响轴的振动。当切割圆筒工作时，蒸汽的温度为420 ℃。此时，汽缸温度为380 ℃，部分蒸汽温度高于汽缸温度，导致高压转子比气缸收缩更快并且易于引起不适当的差异膨胀。在蒸汽密封的旋转轴中，蒸汽的链轮和蒸汽的壳体之间的轴向间隙消失，并且发生移动进而停止摩擦。径向摩擦轴具有耐磨性，当轴的摩擦力更大时，振动越厉害。

汽轮机于4 月1 日下午5 点50 分第三次启动，轴振动速度为3000 r/min 定速时4X 轴振为141 μm，5X 为88 μm。随着时间的推移，轴振动增加了2W，3W 和4W。在测试之后，每次产生波的振动略微减小。此时，4X 轴振为106 μm，之后就并网负荷，2W，3W，4W 和5W 的振动又开始爬升，4X 轴振达到152 μm，5X 达到142 μm，而且依然在上升，振动特性类似于第二次启动的振动特性。经过6.5 h 的盘车后，机组在4月2 日上午6:40 进行第四次启动，升速过程中1W，2W，3W和4W 的振动爬升比较快，1200 r/min 转速下振动过大，其中2X 和3X 达到约240 μm 左右，且仍然在上升，于是立即打闸停机[2]。

3 支撑刚度降低引起振动过大原因

转子系统包括油膜，轴承托架，底座，圆柱体，保护层等。决定转子托架系统刚度的因素包括2 个主要方面：结构刚度，转子的几何形状以及零件载体，转子的尺寸大小和形状都会影响到汽轮机的振动问题。由于在设计和制造阶段难以确定结构的刚度，因此在实际条件下刚度的降低会引发摩擦振动故障，主要原因有：①螺栓的固定不稳定；②轴承座与台板接触不良；③膨胀不畅。

数据表明，辊振动主要基于振动，其幅度小，运行速度快，表明中间转子的压力较小，机械的运行效率更好。根据基频的幅度增加和相位变化，假设第二和第三轴承的振动是动态和静态摩擦振动，这种摩擦属于可分离的早期碰撞。有两个主要部分可以发生摩擦。

（1）旋转轴和固体止油器之间发生摩擦。由于轴承箱的微小负压，在齿和旋转轴之间会有灰尘和污垢，清除污垢和灰尘，就相当于形成润滑剂。在高温的影响下，轴迅速转动，轴越多，旋转轴上产生的摩擦力和压力输出就越大，间歇性摩擦振动就会起作用。

（2）擦拭旋转轴和蒸汽的分离。由于长时间使用该装置后，气缸的膨胀和变形会减少局部间隙。如果蒸汽参数稍微改变，旋转轴将发生周期性地摩擦，振动主要发生在第二和第三轴承中，第二和第三轴承靠近高压和中压气缸的高温蒸汽入口，这就可以证明第（1）种积碳式油挡摩擦的可能性比较大。

4 检修处理

在检查过程中主要检查轴承2 和3，观察轴是否有污染和变形，确保轴承表面无损坏，如果有损坏立即维护并进行相应调整。如果轴承严重变形或变脏，也可以更换轴承，同时，气缸前后轴在高压和中压下进行测量（特别是位于第二和第三轴承），中间气缸两侧之间的间隙过大，对高压和中压气缸膨胀状况进行仔细检测，经过检测后发现，2 号轴承受到污渍和油渍的严重污染。经过分析，如果灰尘以及污染物在轴承上形成轻微的油渍，并在高温下逐渐碳化，压缩和卷曲，而这个过程时间短，油块两侧刻度逐渐耗尽，逐渐塞油量增加，与转子分离，第二和第三轴承的振动会造成间歇性振动摩擦。

5 结论

在汽轮机的初始启动阶段，会发生径向摩擦并且有可能发生转子的热偏转，装置的振动速度和振动幅度主要是由于高压缸的膨胀，中压缸的膨胀以及转子和缸轴连接之间的差异膨胀，发生静态和动态轴向摩擦。动态和静态摩擦不仅发生在启动期间，在其他环节也会伴随着动态和静态摩擦，因此，就要对动态和静态摩擦的位置进行分析，找出发生摩擦振动故障原因，并提出相应解决措施，对汽轮机发生摩擦振动故障的原因进行分析，在汽轮机的不断发展和改进中，慢慢完善运行中遇到的各种问题，以提高设备运行效率，并提高操作安全系数，确保汽轮机稳定安全运行。