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    • 600MW亚临界汽轮机组轴系碰磨故障的分析和处理

        前言

        

        在启停和运行过程中动静部件间的碰磨是汽轮机组常见故障之一,由于机组轴系依靠推力瓦进行转子轴向定位,在各汽缸内组件安装质量可靠的前提下汽轮机转子动叶与隔板、汽封突肩与梳齿等动静部件间的轴向碰磨概率较小。随着机组对缸效要求的不断增加,以及诸如小间隙汽封、布莱登汽封、蜂窝汽封等新型汽封技术在不同机组上的革新应用,为提高缸效追求汽封动静间隙下限以及新技术应用的不稳定性都增加了大型旋转机械动静部件径向碰磨的可能性。同时可倾式支撑轴瓦、浮动挡油环、密封瓦等静止部件的组件结构也日趋复杂,在运行过程中也是导致径向碰磨振动的主要诱因。

        

        本文主要针对大型汽轮发电机组的径向动静碰磨展开讨论和研究。据国内外汽轮机转子弯曲事故表明,其中86%均由于机组在启动过程中动静碰磨故障引起,如果分析及处理不及时就有可能造成转子永久性热弯曲甚至轴系损坏事故,因此正确快速地诊断出机组动静碰磨故障并进行处置就具有十分重要的意义。

        

        1 径向碰磨的原理、特征及分类

        

        1.1 机组径向碰磨产生的原理

        

        大型汽轮机组在启动冲转过程中,发生动静碰磨振动大导致冲转不成功的案例是比较常见的。由于油膜的不稳定以及高压调节级进汽不均匀,汽轮机转子中心会与静止的几何中心产生一定程度的偏离。油膜破坏或安装质量不合格使轴心偏移值超过径向间隙设计值时,动静部分即发生碰磨。碰磨点同时会受到径向作用力和逆转向切向碰磨力的共同作用。依据转动部件与静止部件在圆周方向上接触长度的不同可分为全周碰磨和局部碰磨。

        

        1.2 机组径向碰磨的振动特征

        

        前期碰磨。有碰磨时较无碰磨时轴瓦振动明显增大,在较低转速下随着时间的增加,振幅和相位均发生明显波动变化。这种情况通常是由于机组启动前暖缸时间不足或缸体疏水不畅造成上下缸温差大,引起径向间隙不均匀所致;中期碰磨。在转速恒定或降转速后,随着运行时间增长,振幅迅速增大。相位不再波动,同时持续保持较高的振幅。如果未能及时处理,碰磨故障可能会很快进入晚期阶段;晚期碰磨。其振动特征为转速一定时轴振或瓦振增长速率比中期时更快,同时振幅超过转子形成永久弯曲的上限,短时间内失控导致转子永久弯曲事故,即使汽机降转速,轴振振幅还会继续快速增大,而不能随转速降低而减小。

        

        1.3 机组径向碰磨诱因的分类

        

        动叶与隔板围带间的碰磨。现代大型汽轮机的特点是多缸组合、每根转子有多级叶轮。装配式动叶的叶顶汽封齿与隔板围带汽封齿发生碰磨,诱发振动。由于此类碰磨的部件不是直接作用在转子上,因此在碰磨过程中导致大轴弯曲的可能性较小,但会导致叶顶汽封磨损过量,缸效降低。如不加以控制,动叶叶顶或叶根产生疲劳裂纹的概率增大,甚至发生叶片断裂事故。

        

        转子与轴封、轴瓦油挡等部件的碰磨。与汽轮机大轴相接触的轴封、径向支撑瓦、浮动挡油环等部件是经常发生动静碰磨的典型区域。其中高中压缸轴封金属温度高、径向间隙小,在机组启动升速阶段由于参数变化更易发生碰磨故障。支撑瓦及油挡在运行过程中存在设备劣化的可能,轴瓦脱胎、挡油环断裂等故障均会在短时间内造成转子局部摩擦升温,产生热弯曲并加剧机组振动。

        

        2 故障案例

        

        2.1 启动冲转过程中的径向碰磨

        

        某电厂7号机组为亚临界600MW汽轮发电机组,2007年试运期间机组启机1520rpm时,1瓦和2瓦轴振幅值过大,机组打闸,后经连续盘车24小时后再次启机冲转,在1580rpm时1瓦轴振过大保护动作跳机,电厂在10天左右时间内不断调整运行参数,又冲转6次,均未能通过一阶临界转速区,且过临界区时1瓦和2瓦轴振幅值逐渐上升,相位变化较大,图1、图2为1y和2y过汽机一阶临界转速区时振动曲线。

        

        这是一个升速过程临界转速区间时发生动静碰磨的典型事例,通过增加暖机时间、提高过临界区升速率等方法,均没有通过临界区,经过对8次启机运行参数和轴系频谱数据进行分析,认为高中压转子发生了动静碰磨事件,碰磨主要发生在轴封和过桥汽封处。

        

        通过对高中压缸揭缸检查高中压转子的碰磨情况,发现过桥汽封和轴封处有摩擦痕迹,高中压转子间过桥汽封处磨损最为严重,汽封有倒齿现象。经过对汽封和转子进行修复,汽封间隙按照制造厂设计值进行安装后,机组冲转顺利通过临界区并定速,临界区1瓦和2瓦轴振幅值不到0.08mm,定速3000rpm后轴系各瓦振动优良,机组于9月20日完成168小时试运。

        

        2.2 A级检修后机组启动产生动静碰磨

        

        8号机于2007年8月29日通过168小时试运后正式投入商业运行。该机组2015年2月进行大修,5月10日大修结束后启动过程中5瓦至8瓦的轴振幅值远大于大修前,3000rpm定速后6X轴振超过W报警值达到165μm,并有不断爬升趋势。相邻7瓦轴振也达到105μm,立即打闸降速(表1、表2)。通过综合分析,机组存在动静部件碰磨情况,同时大修后转子中心调整使5号至8号轴承载荷分配发生变化。

        

        机组A修后B低压转子和发电机转子支撑瓦的轴振总量与修前相比有明显增大,从频谱图分可知以上各瓦轴振以一倍频为主。打闸降速过程中6瓦轴振过临界时振动达到190μm,随后在600rpm定速磨检过程中,轴瓦的振幅和相位均有明显的上下波动,且4号轴承箱调端隔热板处有明显的金属摩擦音,由此判断B低压转子6号支撑瓦附近在启动过程中由于碰磨发生了临时弹性热弯曲。同时查阅检修记录,确认B低压转子轴封、支撑瓦浮动挡油环和发电机轴瓦、挡油环以及密封瓦的间隙修后值符合质量控制标准后,推断7瓦、8瓦振动增加主要是受6瓦处动静碰磨影响所致,同时低发对轮中心数值偏上限,也不排除中心调整的因素。

        

        机组打闸后使用电动盘车低速暖缸,拆除4号轴承箱调端隔热板,检查转子磨损情况。通过目视检查,转子接触表面未见明显划伤,隔热板右侧结合面上方有长约100mm的摩擦新伤。重新调整隔热板安装位置,消除碰磨缺陷点,并在转子与隔热板接触位置上架设百分表监测转子弯曲情况。待盘车8小时、该处晃度降至0.02mm以下后,机组再次冲转。转子升速过程中5瓦至8瓦轴振数据均明显下降,定速3000rpm后6瓦振动也未出现明显爬升,起到了明显的减振效果。

        

        机组启动后通过对5瓦至8瓦的振动数据进行分析,转子对轮中心调整导致轴振不同程度的上升,但考虑到检修时间与机组运行要求的限制,无法进行中心调整,决定利用机组临停机会再做处理。当年11月机组临停期间在低发对轮处安装四块平衡块合计850g,11月18日启动,定速3000rpm,6瓦、7瓦轴振降至75μm以下,各瓦都达到优秀水平。处理后的振动数据如表4所示。

        

        3 工作转速下径向碰磨的振动特征及诊断

        

        由于机组启停过程中发生动静碰磨引起的振动波动和突增的特征十分明显,因此诊断这种情况下的动静碰磨也相对容易。但工作转速下动静碰磨引起的振动变化却相对难以准确判定。传统经验认为,在轴系通过一阶临界转速后转子状态较为稳定,工作转速下发生碰磨引起的振动不会很明显。同时在转子的高速旋转下,碰磨部分也会快速的磨损下去并脱离开来。但实践表明,由于运行工况的突变和设备劣化导致的工作转速下发生动静碰磨的故障也大量存在。

        

        工作转速下的动静碰磨一般易发生在低压转子上,低压转子轴瓦振幅的突增和大幅波动是判断其工作转速下发生动静碰磨的显著特征。从运行经验看,启动过程中碰磨故障易发生在机组高中压部分。由于高中压部分径向间隙最小,启动过程中动静部件间同心度变化较大,而且高中压转子支撑刚度大,转子相对振动较大,这是机组启动过程中,高中压部分易发生碰磨振动的主要原因。而在工作转速下高中压部分具有较大的相对振动,缸内动静部分碰磨后能够较快地脱开。由于高中压转子轴承支撑强度和汽缸刚度较大,工作转速下动静部分变化幅度小,因此发生碰磨振动的概率较低压部分小很多。而低压转子跨距长,转子质量大,对于轴瓦支撑强度不足或低压缸设计刚度不足的机组,在工作转速或机组变负荷的状态下,容易导致动静碰磨的发生。由于低压转子相对振动较小,以及不平衡力自动校直转子热弯曲,使工作转速下碰磨振动可以持续存在。

        

        通过TDM机组在线振动分析仪器的记录,工作转速下转子径向动静碰磨引起的振幅不规则地大幅不稳定波动,其频谱特征是转子热弯曲振动,即以工频振动为主,伴随有二倍频和三倍频的的高阶分量,分量值与转子热弯曲程度和轴系在相应频率下是否存在共振密切相关。工作转速下转子碰磨振动的波动特征虽然没有启停过程中的碰磨振动特征明显,但其持续时间相对较长,在同一机组不同时间段上都会产生不同的波动形式,呈现出不稳定性。同时依据经验,工作转速下的动静碰磨,在机组启停过临界时轴系振动与故障产生前相比没有明显的变化。

        

        4 碰磨振动的防控

        

        综上所述,在机组启动和工作转速下发生的动静碰磨振动,依据碰磨严重程度,在机组检修、冲转和运行期间可采取不同的应对方法。

        

        严把检修质量关,严格依照检修作业指导文件包的质量点进行间隙控制,合理调整缸内汽封间隙,减少冲转过程中发生碰磨的概率;更换不合格的轴瓦、浮动挡油环、汽封块等静止部件,保证安装质量可靠,保持机组在运行中的稳定;冲转过程中要执行600rpm低速摩检,使用听针检查轴封、轴承箱内、缸内是否有金属摩擦异音,不能抱有盲目侥幸心理冲转启动。当振动接近或超过A报警时应果断打闸停止冲转,防止转子弯曲等事故的发生。

        

        按照运行规程与厂家启动运行维护说明书的参数要求,通过提高升速率在冲转工作中快速通过轴系临界转速区间,避开因共振加剧动静碰磨的风险。同时在工作转速下根据机组振动情况及时调整膨胀、差胀、负荷、缸温等运行参数,避免因工况突变导致的碰磨事故发生;借助TDM机组振动在线监测系统,加强振动数据的采集,详细记录轴瓦振动幅值、相位、频谱,转子轴心轨迹等信息,帮助技术人员对振动增大的原因进行分析研判,提高处理机组振动缺陷的准确性。

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