管道引起汽轮机振动故障的分析及处理

赵未佳

（中海壳牌石油化工有限公司，广东 惠州 516000 ）

0 引言

汽轮机是石油化工生产中利用清洁高温、高压蒸汽能源为介质驱动的重要的动力设备，也是提高效率，能量转换的关键机组。汽轮机的良好运行对装置的稳定生产和提升经济效益至关重要汽轮机的动力介质来源于蒸汽锅炉所生产的520 ℃、11.5 MPa的超高压蒸汽，汽轮机的超高压蒸汽入口管道与速关阀法兰连接，速关阀与调节阀前后连接成为一个缸体，调节阀底部与汽轮机缸体螺栓紧固连接。超高压蒸汽通过入口法兰进入速关阀，再进入调节阀被控 制蒸汽流量，从而进入汽轮机缸体内推动转子做功。汽封在缸体两端头和转轴的平衡活塞均存在。因要对缸内超高压蒸汽起到节流减压密封作用，汽封处的配合间隙是转子与缸体径向间隙的最小位置，径向轴瓦是支撑、定位汽机转子的重要部件，轴瓦内与转子配合，外与瓦枕配合。入口管道内的蒸汽，在各蒸汽通道部件的作用下进入缸内推动转子，各蒸汽通道部件也承受着超高压和高温蒸汽的动能和热能，即各部件的热膨胀量、热胀差、动力推移。任何超过允许的膨胀、胀差、推移量都可能给机组带来严重伤害。

1 研究方法

文章以汽轮机的非驱端径向轴瓦振动高高报警跳车事故为例。从汽轮机故障的发生到稳定运行，一步一步分析和处理汽轮机在超高压蒸汽入口管道设计安装不合理时，缸体被推移引起平衡活塞处的汽封碰擦，从而导致轴瓦处振动高高跳车原因。

2 故障与分析

2.1 入口管道对缸体的作用力

某厂新增项目上的23 MW汽轮机，作为发电机组的驱动机。在机组施工安装完后，启动机组做相关性能和安全的实验阶段，额定转速时非驱动端径向轴瓦高高报警引发机组跳车。检查现场主要情况是前后猫抓处打的百分表的数据，前右侧百分表的数值明显大于前左侧百分表的数值，如表1所示。同时在汽轮机运行过程中似乎听到缸体内有一声异响。

表1 汽轮机前后猫抓径向百分表数值

检查工艺操作流程，均按照已成熟使用的设备操作法，盘车、暖管、暖机、升速及实验等。分析百分表的数值，不同数值说明了汽轮机缸体向前右偏移。拆开汽轮机两速关阀处入口法兰，发现往前右一边推挤，严重不对中，法兰螺栓无法正常取出。

检查汽轮机蒸汽入口管道。因装置开车以后，蒸汽锅炉因负荷需要多增加了一台，所以此台汽轮机是随蒸汽负荷新上机组，管线的安装空间有限，管道设计弯折较多，从机前左侧主路进气至汽轮机底部后分两路进入速关阀，而管道的固定只有竖直方向的弹簧吊架，水平方向则是自由量。这样入口管道内的超高压蒸汽在强大动能下冲击管道，管道传递力矩到速关阀法兰，整个横向力在作用在缸体上，使其发生偏移[1]。

2.2 工频突出

变更设计，重新安装限位管道。在两速关阀的下方中间加装水平方向的限位架，抵抗超高压蒸汽的动能，减弱冲击汽轮机缸体力矩,重新对中复位入口管道法兰。调整外缸下部的定位搭子，使前外汽封四周间隙均匀符合要求。复查机组轴对中状态。完成机组所有检修后，再次启动汽轮机测试相关性能,随着操作逐渐提高转速，振动值也逐渐上升,最终在振动接近高跳车时手动拍停汽轮机[2]。

停机检查，对比各猫抓处百分表的数据，缸体偏移量减小，主要差值是热胀量，如表2所示,判断入口管道的重新限位起了作用。但是,非驱端轴承箱里，转轴前端的跳动值达到0.16 mm，轴前瓦附近有一定弯曲,同时启机时挂的频谱分析仪显示汽轮机的一倍频最高。这也是转子弯曲或碰擦产生不平衡力的频谱特征。

表2 汽轮机前后猫抓径向百分表数值

由于受到冲击和一些非线性因素的影响，出现了少量的分频和高频分量。倍频也是在多转速下均出现，说明整个汽轮机运行过程中，这一不平衡力一直存在。随着转速的升高，不平衡量加大。带有少量的半倍频，可能是前轴瓦油膜被转轴前端弯曲度影响破坏而形成。综合第一次启机被忽略的一声异响，汽轮机在第一次启机的过程中可能受管线影响，缸体移动。转子有与缸体碰擦至弯曲的可能[3]。

2.3 平衡活塞汽封磨损严重

为进一步确定汽轮机故障分析和解决方案,将汽轮机厂家技术人员请到厂区，检查汽轮机现场的状态和系统的运行数据。分析研讨后，厂家技术人员给出的回复与机组人员分析基本一致,于是决定现场开缸检查。

开缸后检查汽轮机转子、内缸、叶片、静叶、汽封等状态，发现动叶外环和内缸汽封，静叶内环和转子有轻微摩擦。但是平衡活塞处的汽封磨损严重,汽封片有部分已脱离，大多数已坍塌磨平,汽封处有发蓝过热的现象。再测整个转子的弯曲度，在整个转轴上从前到后多处安装百分表，特别是转子需要配合的地方,盘车打表数据结果显示，前端的打表数值偏大。

经过厂家技术人员和机组各方人员再一次讨论分析，转子不能继续使用。转子在第一次启机试验时就因管道应力作用在缸体上，而缸体的反作用力不足以抵抗介质为超高压蒸汽的管道应力，即产生缸体偏移，汽封碰磨。

在经过管道重新设计安装，汽轮机缸体底部搭子螺栓调整，缸体和转子恢复到同心对中后，严重损坏的汽封摩擦和转子碰擦产生的轴弯曲度使第二次的启机试验再次失败，非驱动端轴瓦振动持续上升超过报警值。

在这些研讨分析下，转子确定返厂维修。返修内容主要包含：一是内缸和转轴上的汽封更换；二是重新调校转子的弯曲度，需要符合技术要求；三是检查转子过热部分是否对转轴强度有影响；四是对整个转子重新做动静平衡[4]。

汽封碰擦情况如图1所示。

图1 汽封碰擦情况

3 结语

转子和汽封修复后，重新回装试车。汽轮机启机至额定转述，再到负载挂满，非驱动端轴瓦处的振动一直处于范围内。机组挂的频谱分析仪显示，频谱峰值在通过临界转速后立刻下降，缸体四个猫爪的百分表数值差别不大，没有发生偏移，汽轮机各项性能试验也均完成，且连续带负荷平稳运行超72 h。因此，这台汽轮机振动高高报警跳车故障的检维修工作完成。

此台汽轮机发生前轴瓦振动高高跳车，但根本原因不再汽轮机本体，而是入口的超高压蒸汽管道不合适的设计所产生的介质推力。在试车时管道推动汽轮机缸体。而缸体的反作用力不足以抵抗管道的推力，造成高压段内缸的平衡活塞汽封偏移，与转轴碰擦。高转速下转子汽封处的摩擦产生高温过热，碰擦也造成汽轮机转子轻微弯曲。

汽轮机属于关键的转动设备，在超高压蒸汽的介质作用下，转子和缸体以及各蒸汽通道部件均承受着高温高压的热胀力和动压力。而转子和缸体的配合较为精密，汽封处因节流降压，配合间隙仅0.3～0.4 mm。因而整个缸体和转子，包括轴承座允许承受不平衡力的限制非常严格。

在汽轮机机组管线设计中，最需要注意的地方就是必须满足管系整体的柔性要求，以及汽轮机厂家提出的管口受力要求。在布置规划时充分考虑厂房的空间结构特点，可以利用厂房的结构梁作支撑，限位管线热胀力和动压力，减小作用在汽轮机缸体上应力以达到厂家的技术要求。