联合循环机组汽轮机液压螺栓螺母脱落事件分析和处理

王庆韧， 甘 地

(广东惠州天然气发电有限公司 广东省燃气轮机发电工程技术研究中心， 广东 惠州 516082)

某电厂一期工程3×390 MW级燃气-蒸汽联合循环机组(#1～#3机)采用单轴布置方式，转子联轴器通过螺栓和螺母刚性联接，历次检修中均出现螺栓拆卸困难甚至咬伤以及螺孔拉毛等问题。基于煤电、核电、水电机组方面的经验[1-5]，拟更改成液压螺栓联接。在二期工程3×460 MW级燃气-蒸汽联合循环热电联产机组(#4～#6机)建设中，联轴器直接改用液压螺栓联接(全周共12孔，图纸编号#1～#12)，投产2 年后出现了液压螺栓螺母脱落导致轴承盖振异常偏大事件。

查阅国内文献，常规火电、核电、水电机组曾发生过联轴器螺栓断裂事故，但多为普通的螺栓与螺母联接[6-9]；另外一些文献虽然涉及液压螺栓但为船用[10-12]。本次事件较为罕见：①发生于联合循环机组；②发生于两班制运行方式；③液压螺栓并非断裂而是螺母脱落。

1 事件发生

3×460 MW级联合循环机组采用分轴布置形式，燃气轮机及其发电机构成燃气轮机发电机组，汽轮机和发电机构成汽轮发电机组。汽轮发电机组的轴系支承在6个轴承上。其中#1、#2轴承位于高、中压缸(合缸)，#3、#4轴承位于低压缸，#5、#6轴承位于发电机，每个轴承X、Y方向设置1 个轴振测点及1 个盖振测点。

1.1 盖振大报警发生

某机组在较长时期的连续运行后按计划改为两班制运行，汽轮机在启动过程中冲转至2 936 r/min时控制系统发出#3、#4轴承盖振大报警。

1.2 振动特征分析

查看实时振动曲线，#3轴承盖振由25 μm快速增大至96 μm，#3X轴振由28 μm快速增至83 μm，#3Y轴振由20 μm增至27 μm；#4轴承盖振由19 μm快速增至83 μm，#4X轴振由23 μm增至55 μm，#4Y轴振由15 μm增至28 μm。#5、#6轴承轴振均有增大，但增幅没有#3、#4轴承轴振的增幅大。

1.3 振动趋势分析

提取相关运行参数形成散点图，对比发现#3、#4轴承盖振大幅增大，DCS显示值已达100 μm，逻辑中该类测点的测量上限为100 μm，故当时实际盖振数值可能已超过100 μm；#1、#2、#5轴承的盖振虽绝对数值很小，但与以往相比，有1倍以上的增幅；#3～#5轴承轴振明显增大。

1.4 振动真实性判断

因为各轴承盖振与轴振几乎同步发生异常，所以初步判断振动是真实发生的，不是热工测量故障引起的。

1.5 振动真实性确认

因为振动上升至一定高点后基本维持在稳定状态，未到达跳机值，加之电网负荷需求大，所以没有立即停机。其间，用便携式测振仪测量，确认振动异常偏大是真实发生的。

2 原因排查

2.1 初步排查分析

基于经验，振动异常上升，常常预示着以下情形[13-24]：汽缸内部出现异常，如大轴弯曲、部件脱落、动静部件间碰磨、气流激振；轴承自身发生故障，如轴承座刚性及基础变差、联轴器螺栓与轴承压盖的紧力间隙出现问题激发了油膜振荡；外围设备设施出现了影响汽缸及轴承自身功能完整性的重大不利因素。因此，在机组运行状态下，紧急进行了初步排查。

1) 检查外围设备设施，如汽轮机及相应发电机等设备基础的沉降情况，汽轮机及相应发电机等设备基座支撑情况，与汽轮机相连的汽水管道、阀门、支吊架，等。结果均未发现异常。

2) 排查轴承自身故障。因为各个轴承的振动均有增大，轴承本身同时出现故障的概率极小。检查各个轴承的进、回油(润滑油)温度，均正常，因此第一时间排除了油膜振荡原因。检查各轴承外部设施，未发现异常。

3) 排查汽缸内部。走近汽轮机小间，明显听到低压缸内部以及凝汽器内部的上方有显著异响声，似乎是发生了汽阻，引发了类似于风机喘振的现象。其中，低压缸内部以及凝汽器内部的上方靠近#4轴承的区域异响声最大，手感振动也最大，因此初步怀疑发生了汽流激振。

4) 尝试用听针探查缸内有无部件松脱或碰磨声，结果受异响声妨碍听不清楚，暂不能排除缸内部件脱落或动静部件间发生碰磨的可能。

5) 核查大轴差胀、轴向位移等参数，均正常，说明大轴发生弯曲的可能性很低，除非有疏水阀之类的个别设备被误打开而产生急冷，造成大轴弯曲。继而排查各种疏水设备设施，未见异常，从而排除了大轴发生弯曲，降低了动静部件间发生碰磨的可能性。

6) 动平衡数据分析。临时安装实时振动监测系统，提取实时数据发给燃气轮机供应商诊断，未见相位有变化，说明轴系动平衡正常，这表明缸内发生较重的转动部件松脱的可能性为零。

2.2 盘车状态下的全面排查与分析

由于引发气流激振的原因很多，如凝汽器内部各种喷水减温喷头断裂、低压缸内大量漏汽等。因此，需要在盘车运行状态下采取相应检查措施来进一步确认。

排查外围设备设施包括低压外缸的地脚螺栓、各轴承座地脚螺栓的紧固情况和#3、#4轴瓦的滑销系统，均未发现异常。

排查轴承自身故障。盘车状态下，汽缸内温度仍然很高，轴承间隙、瓦枕接触情况、联轴器螺栓情况均无法深入检查，只能继续目视检查，仍未发现异常。

打开低压缸人孔门(观察孔)与凝汽器人孔门进行外观检查，未发现蒸汽有内、外漏痕迹，喷水减温喷头无断裂等异常现象。目视检查低压缸可见部分，未发现明显的拉筋裂纹、支撑管脱焊等情况，末级叶片及叶根销子也无异常，用小锤敲击低压内缸中分面螺栓，无松动。仅发现低压下内缸与低压下外缸连接螺栓垫片松动，经厂家确认为预留的膨胀间隙，对比#4机、#5机，初步判断无影响。清理检查凝汽器底部，无任何可疑脱落物，说明异物脱落砸伤凝汽器钛管导致水汽泄漏、混杂引发汽阻甚至汽流激振的可能性基本排除。

用听针探查各个轴承及汽缸内部，未发现异常迹象，但这也可能是机组转速太低的缘故，所以还是无法彻底排除缸内部件发生脱落或动静部件间发生碰磨的可能性，需要揭缸检查确认。

为保险起见，打开低压缸两侧人孔门，观察平衡块的位置，查看是否有平衡块(指低压转子正、反第六级平衡块)脱落或明显松弛现象，结果显示无异常，进一步排除了动平衡问题。

2.3 预判揭低压缸检查结果

盘车状态下能做的检查做完后，原因仍不能确定，需要等待盘车完全具备停止条件才能依次检查下列项目：揭开轴承箱护罩检查；揭开轴瓦检查；揭开低压缸检查。

以上3个检查项目在检修工期与检修组织安排上相差很大，所以在盘车尚未具备完全停止之前，预判低压缸内部通流间隙的变化情况很有必要。

方法一，采用国内通行的低压缸特征通流面积法[25-31]。以#6机汽轮机作为对比，以相近环境条件为基础，按供热连续运行及两班制运行两种方式分别计算，结果未发现异常。

方法二，采用燃气轮机供应商推荐的汽缸进汽流量-进出口压差算法。该计算方法更为精确。计算结果显示#4机低压缸通流部分未发生异常。

有鉴于此，决定按顺序开展以上3个检查项目，若前一个检查项目仍未发现问题所在，则继续下一个检查项目。

2.4 停机检修状态下揭开轴承箱护罩检查

当汽轮机高压内缸调节级金属温度降至150 ℃以下时，停止盘车。

移开盘车装置，揭开轴承箱护罩，发现汽轮机低-发联轴器液压螺栓的#3孔汽侧螺母脱落。脱落的螺母直接撕开联轴器护罩。护罩与脱落的螺母剧烈碰撞导致彼此受损严重，护罩中分面固定螺栓直接被拉断(图1)，护罩拉裂(图2)，轴承箱内遍布铁屑(图3)，与脱落的螺母位于同侧的联轴器部分螺孔有损伤(图4)，脱落螺母的螺栓也有损伤(图5)。

图1 拉断的护罩底部固定螺栓

图3 掉落的螺母和遍布轴承箱的铁屑

图4 受损的螺栓孔

图5 脱落螺母的螺栓

2.5 事件原因分析

直接原因。通常液压螺栓的螺母脱落后，会导致联轴器质量失衡，使轴系动平衡出现问题，振动相位会发生明显变化。本事件中因为液压螺栓的螺母脱落后刚好卡在特定位置并未与联轴器分开，所以质量失衡不明显、轴系动平衡未有明显恶化。通过排查分析，排除了大轴弯曲、缸内部件脱落或动静部件碰磨、汽流激振、轴承故障等因素，综合推断液压螺栓的螺母脱落是引发轴承盖振大的直接原因。

间接原因。回顾基建安装与调试过程，检查机组计划性检修情况，从中发现2 个问题：①轻忽了基建与生产检修过程中对液压螺栓的施工质量把控；②对液压螺栓的到货质量验收、安装与检修施工工艺等技术标准掌握不够。这些都影响了液压螺栓的安全运行性能，是导致螺母脱落并引发轴承盖振大的间接原因。

根本原因。借鉴文献[32-35]并结合实际，本次液压螺栓螺母脱落的根本原因主要聚焦于安装工艺和设计制造，其次是两班制运行方式。

1) 安装工艺。该液压螺栓由锥套、螺杆、螺母组成。锥套的内表面和螺杆的外表面制成相同的锥面，施加轴向力后，螺杆在锥套内移动，使锥套径向膨胀；移动到设计位置后，去掉高压油，锥套膨胀紧压在螺孔内；拉伸螺杆到标准长度，旋紧两侧螺母，利用螺母与联轴器表面的摩擦力和螺孔与液压螺栓之间的剪切力来传递扭矩。据上次检修记录，该螺栓有符合标准的伸长量，可以排除漏紧的可能性；因为#3液压螺栓可能为安装时预紧的第一个螺栓，在全周螺栓紧固完成后，该螺栓紧力减小，从而发生一定的松弛现象，长时间运行后，螺母飞脱；液压螺栓安装工具中的拉环(预紧环)和油缸(液压拉伸器)之间没有定位结构，拉环可能和螺母接触并产生干涉并在加压后卡住，因此，可能存在螺母和拉环卡住，但操作人员没有察觉从而误判螺母已经预紧到位，长时间运行后该螺栓松弛，螺母飞脱。

2) 设计制造。对比同期进行的#5机检修，其联轴器液压螺栓有11颗无法正常拆出。强行拆出后出现了螺栓孔拉毛，需铰孔处理。仔细检查发现，该液压螺栓存在以下问题：①锥套的壁厚过于单薄，仅约2 mm，其自身强度过低，更容易变形。假设螺栓孔的圆度为0.02 mm、锥套的圆度也是0.02 mm，此时锥套与螺栓孔的间隙就与设定值存在0.04 mm的最大偏差，因此，从圆周来看，胀紧后锥面的接触应力是不均匀的。使用注油法拆卸时，油液肯定会从应力小的地方率先渗透出去。同样大的胀紧力，壁厚越厚的锥套，变形消耗的力越大，因此锥套与螺栓孔之间的应力就越小，从而螺栓孔与锥套的圆度误差带来的应力不均匀度就越小，注油法拆卸的成功率就更高。②间隙及胀紧力不合理。该型液压螺栓给定的装配间隙为0.02～0.05 mm。螺栓孔与锥套本身都存在加工误差，如果螺孔之间还存在错位，此时就十分难装配。并且，此型液压螺栓给定的胀紧压力范围大(19.6～37.5 MPa)，每0.01 mm的增量对应的胀紧压力就大幅度上升，因为测量误差的存在，导致胀紧力不易受控，可能存在较大的误差。③该型号液压螺栓与拉杆采用的是直螺纹连接，并且把注油法拆卸的接口做在拉杆上。这样旋合螺纹就需要旋转所有旋合牙数的圈数，并且注油法拆卸需要一定的预紧力，拉杆与螺栓容易卡住。如果采用锥螺纹，旋转的圈数不仅减少，还能保证螺栓危险截面的强度。

3) 两班制运行方式。二期工程竣工投产后，受阶段性供热负荷所限，通常2 台机组两班制运行、1 台机组供热连续运行，3 台机组在两班制运行方式与供热连续运行方式之间进行定期或不定期轮换，以实现优化和灵活调度并提高电力市场现货交易模式下的企业效益。这种两班制运行方式加剧了液压螺栓的应力松弛，是液压螺栓螺母脱落并引发轴承盖振大的次要原因。

3 事件处理

3.1 处理方案

因为时间上不允许，暂不考虑对液压螺栓设计制造方面进行技术改进，主要针对安装工艺进行改进并对脱落的螺栓进行更换。

对振动偏高的#3、#4轴承揭开轴瓦检查。对相邻的#5轴承进行预防性的揭开轴瓦检查。

3.2 检查轴瓦

为防止轴振偏大造成轴瓦乌金产生隐性裂纹，对上述轴承的瓦块进行渗透检查和超声波检查。对轴瓦的顶隙、紧力、侧隙等数据进行复核。对损伤的螺孔进行打磨圆滑过渡处理。检查完毕后，将轴瓦回装到位。

3.3 新螺栓安装

安装前检查#3孔径，实测值为54.48～54.49 mm，锥套加工尺寸为54.45 mm，间隙为0.03～0.04 mm，符合厂家技术标准。

安装时按照图纸要求锥套紧力为31 MPa，实际上次新螺栓以螺杆不能转动为准，初次紧力为30 MPa，然后增加10 MPa，进行第二胀紧，实际紧力为40 MPa，螺杆拉伸力相应增加到77 MPa(图纸要求75 MPa)。

3.4 螺栓配重

核对技术要求，各组螺栓重量差不大于3 g。

3.5 螺栓伸长量复查

为了保证所有液压螺栓都在受力状态，不会再出现脱落的情况，本次对所有螺栓进行了液压拉伸复查，保证最终所有螺栓紧力均为77 MPa。

3.6 油冲洗

由于液压螺栓的螺母脱落并与联轴器护罩碰磨出较多的铁屑，因此对汽轮机润滑油、顶轴油系统进行放油、清理，更换油滤，然后对所有轴瓦加装冲洗滤网进行大流量冲洗。

3.7 处理效果验证

检修完成后，重新开启机组，进行试运行及燃烧调整，轴振、盖振均在合格范围内。

后面，利用机组自然调停机会，复检液压螺栓，情况良好。

4 改进建议

4.1 安装工艺改进及预防措施

1) 将安装工序控制要求列入基建期安装工程施工以及生产期检修工作技术交底内容中。

2) 加大对一线工程施工人员、检修人员的技能培训。

3) 加强基建期安装工程施工以及生产期检修工作的全过程质量控制与验收。

4.2 产品设计制造改进建议

1) 安装前按技术要求处理螺栓孔。

2) 拉杆与螺栓采用锥螺纹连接。

3) 设计防松结构。

4) 适当增加锥套厚度。

5) 重新设计装配间隙和紧力。

4.3 进一步提升事件排查的效率与准确性

影响轴系振动的原因众多而繁杂，事件排查过程中需不断修正某些判断方向、澄清某些现象。排查过程中应注意实施多方向、多点测量。

5 结语

检修后的长期运行表明，液压螺栓的螺母脱落并卡在特定位置是引发轴承盖振大的初始原因和直接原因。因此，严格把控液压螺栓紧力尤为重要。

期望本文能为采用同类液压螺栓的机组提供借鉴，建议开展必要的预防性检查。