300 MW機組低壓轉子葉片斷裂的故障診斷及振動分析

范春生

(湖北省電力試驗研究院,武漢430077)

1 概 述

隨著服役年限的增加,國產300 MW機組低壓轉子葉片斷裂故障時有發生.國外大型機組統計也表明:葉片斷裂故障幾乎全發生在低壓缸內,其中末級葉片占20%,次末級葉片占58%[1-3].這些故障往往造成機組運行過程中振動異常,軸承損壞,跳機,甚至機組損毀等重大損失[4-6].在診斷和處理過程中,這種葉片斷裂故障往往被誤判為軸承開裂、開焊或其他故障,即使診斷為葉片斷裂,也未必會采取揭缸措施,其原因是:一方面,揭缸可能會影響生產,造成一定的經濟損失;另一方面,不揭缸又擔心葉片再次斷裂,造成重大事故,嚴重影響機組的安全運行.對這一故障進行及時和準確的診斷,并提出合理的處理對策與建議,可有效地提高機組運行的安全性和經濟性,對防止機組重大事故的發生具有重大意義.同時,對故障數據進行分析和研究,對提高故障診斷的準確性和進一步診斷分析同類故障均具有較大的借鑒意義.

近年來,在國產300 MW機組中,襄樊電廠3號機組曾發生1次低壓轉子葉片斷裂故障,漢川電廠2號機組曾發生3次低壓轉子葉片斷裂故障,從對這些故障的分析、診斷與處理中可以發現:低壓轉子葉片斷裂具有共同的故障特征、分析判斷方法及應急處理措施.

2 低壓轉子葉片斷裂故障的振動診斷機理

根據振動理論,支承-轉子系統的振動取決于激振力和支承動剛度的影響.在線性系統中,部件呈現的振幅與作用在該部件上的激振力成正比,與它的動剛度成反比,可用下式表示[4]:

式中:A為振幅;P為激振力;Kd為部件的動剛度.

式中:Kc為部件靜剛度;μ為動態放大系數;ω為激振力圓頻率;ωn為振動系統自振圓頻率;ε為阻尼系數.

部件靜剛度也稱剛度系數,它是表示部件產生單位位移(變形)所需的靜力;部件動剛度則是表示部件單位振幅(位移)所需的交變力.

由式(1)可見,對于在額定轉速下長期穩定運行在低水平振動的轉子系統,其轉子激振力P與部件動剛度Kd是一定的,即轉子-支承系統是平衡的;當在額定轉速下,轉子-支承系統振動突然階躍增大,且穩定在一個新的振動水平下時,一定是轉子激振力P或部件動剛度Kd發生了突然變化.如果部件動剛度Kd突然階躍減小,從式(2)和式(3)可知,一定是部件靜剛度Kc突然階躍減小或動態放大系數μ突然階躍增大.

對于汽輪機組,一般激振力圓頻率ω遠大于振動系統一階自振圓頻率ωn,且ωn只可能減小,不可能增大;而對于一個正在運行的軸承潤滑系統,阻尼系數ε不會有很大的變化;由式(3)可知:動態放大系數μ只可能減小,不可能增大.

如果部件靜剛度Kc突然階躍減小,則只可能是軸承支撐系統出現突然開裂、開焊等現象;但開裂、開焊等現象的發生一般有一個疲勞、漸變的過程,因此引起振動階躍應有先兆.

如果轉子激振力P突然階躍增大,且穩定在一定的水平上,只能說明轉子上有物件脫落或原有平衡塊突然滑動,但平衡塊突然滑動后不再滑動的可能性非常小,相反,葉片斷裂脫落的可能性應是非常大的.

3 低壓轉子葉片斷裂故障的振動診斷實例

3.1 襄樊電廠葉片斷裂故障的診斷與處理

湖北襄樊發電有限責任公司3號汽輪發電機組是由某廠生產的N300-16.7/537/537型、亞臨界、中間再熱凝汽式汽輪機和某廠生產的QFSW-30-2-20型氫冷發電機組成.機組共有8個軸承,其中:1號和2號軸承支撐汽輪機高中壓轉子,3號和4號軸承支撐汽輪機低壓轉子,5號和6號軸承支撐發電機轉子,7號和8號軸承支撐勵磁機轉子.整個軸系支撐結構簡圖示于圖1.

圖1 軸系結構示意圖Fig.1 Sketch of the shafting arrangement

3.1.1 故障概況

2006年4月10日,襄樊電廠3號機組在運行過程中,在間隔較短的時間內發生2次階躍振動,尤以低壓轉子兩端3號和4號軸承最為明顯,其中第1次階躍較小,第2次階躍明顯較大,使長期以來一直處于良好狀態下運行的機組振動突然變大.4月12日～13日,機組準備停機查找原因,在停機前帶負荷及停機過程中對機組振動進行了檢測,其檢測數據示于表1,而3X、4X(3X、4X分別對應于3號軸承和4號軸承)降速波德圖示于圖2.

3.1.2 故障診斷與分析

綜合以上故障現象、振動數據和降速波德圖,作出如下分析:

(1)根據振動數據分析,故障振動以低壓轉子3X、4X振動為大,說明故障點在低壓轉子上.

(2)根據振動階躍的現象分析,可能有以下原因:①轉子上有物件脫落,即葉片斷裂;②轉子支承剛度發生突然改變,即軸承支承系統突然開裂;③轉子兩端原平衡塊突然滑動等.其中,以葉片斷裂的可能性最大.

表1 襄樊電廠3號機組帶負荷過程振動數據表Tab.1 Vibration data of Unit 3 in the Xiangfan Powre Plant during loading process μ m ∠ (°),μ m

圖2 襄樊電廠3號機組3X、4X降速波德圖Fig.2 3X、4X slow-down Bodes of Unit 3 in the Xiangfan Power Plant

(3)根據3X、4X降速波德圖分析,低壓轉子一階臨界振動變化不大,且振動數據表明:振動故障為二階不平衡增大,說明葉片斷裂可能發生在轉子兩端,尤其是低壓轉子末兩級.

綜合以上分析認為,葉片斷裂的可能性最大,建議停機檢查,重點檢查低壓轉子末兩級葉片;同時根據經驗系數,進行低壓轉子平衡計算,采取的方案為分別在低壓轉子3號軸承側逆轉向260°和4號軸承側逆轉向80°各加重400 g.

3.1.3 處理過程

停機后,首先工作人員進入低壓缸檢查,發現了2片疑似圍帶和葉片的金屬碎片,同時通過內窺鏡,在低壓轉子4號軸承側次末級,在加重方案所提供的角度附近,發現一處葉片頂部圍帶脫落和葉片頂部斷裂.2片金屬碎片加起來重800多g.以上檢查證明:確定為葉片斷裂,電廠決定揭缸檢查,并對其進行修復.

該低壓轉子次末級結構為整圈松拉筋,葉片在頂端以圍帶鉚接成組.揭缸檢查發現,電端次末級有3組葉片已出現嚴重問題,其中1組葉片圍帶脫落,1個葉片頂部已斷裂;還有1組葉片圍帶已出現嚴重裂紋,同時在松拉筋處葉片已出現嚴重裂紋,似要馬上脫落;第3組葉片在松拉筋處同樣已出現嚴重裂紋;在汽端次末級處,同樣也有1組葉片在松拉筋處出現嚴重裂紋,其他處經過探傷檢查,均完好無缺.

鑒于電端次末級已嚴重損壞,制造廠也有整圈成品葉片,因此決定將此級整體更換;而對次末級實行現場焊接修復.在對葉片進行更換及補焊修復后,3號機組于2006年5月6日凌晨啟動,啟動后機組轉速為3 000 r/min,而大負荷振動軸振不超過70 μ m,瓦振不超過20 μ m,均在優良范圍.

3.2 漢川電廠葉片斷裂故障的診斷與處理

湖北漢川電廠2號汽輪發電機組為引進型300 MW機組,汽輪機型號為N300-16.7/537.7/537.7,發電機型號為QFSN-300-2,勵磁機型號為ZLWSWH,分別由某廠引進美國西屋公司技術制造.2號機組軸系有7個軸承,1號、2號軸承支撐高、中壓轉子,3號、4號軸承支撐低壓轉子,5號、6號軸承支撐發電機轉子,勵磁機為單支撐結構(圖3).

圖3 2號機軸系支承系統示意圖Fig.3 Sketch of the shafting supporting arrangement of Unit 2

漢川電廠2號機組曾發生3次低壓轉子葉片斷裂故障,第1次發生在2004年9月11日;第2次發生在2006年8月11日;第3次發生在2008年6月14日.

3.2.1 第1次故障診斷與處理

2004年9月11日,漢川電廠2號機組在正常帶負荷運行時振動突然階躍增大,其中尤以3號、4號、7號軸振及4號瓦振增大最為明顯,6號、7號軸承軸振隨負荷爬升時增大較多.經檢測發現:在206 MW負荷下,3號軸振達153 μ m,4號軸振達108 μ m,7號軸振達 121 μ m;3號 、4號 、5號和6號軸承瓦振均較大,且以4號軸承軸向振動最大,4號瓦振水平達 68 μ m,軸向振動達 120 μ m.

振動發生后,通過對振動現象和振動數據的分析認為:低壓轉子葉片斷裂的可能性最大,建議停機檢查,但電廠在停機檢查中未曾查出金屬碎片與斷裂部位.在發電任務緊張的情況下,遂建議進行動平衡試驗,在低壓轉子上加重2次:第1次分別在3號軸承側逆轉向20°和在4號軸承側逆轉向200°處各加重380 g,同時在勵磁機整流子上逆轉向210°處加重100 g;第2次分別在3號軸承側逆轉向295°處和在4號軸承側逆轉向120°處各補加重275 g;經過2次加重后,機組振動恢復正常.

3.2.2 第2次故障診斷與處理

2006年8月11日,漢川電廠2號機組在正常帶負荷運行時軸系振動又突然階躍增大,其中尤以3號和4號軸承軸振及瓦振增大最為明顯,軸振階躍上升約為 60 μ m,且瓦振超標.經檢測發現:在287 MW 負荷下,3號軸振達118 μ m,4號軸振達105 μ m,4 號 瓦振 垂 直方 向 達 71 μ m,軸 向 達 62 μ m,3號瓦振垂直方向達58 μ m.具體振動數據示于表2和表3.

表2 漢川電廠2號機組大負荷軸振值表Tab.2 Shaft vibration data of Unit 2 in the Hanchuan Powre Plant under heavy load μ m ∠ (°),μ m

表3 漢川電廠2號機組大負荷瓦振值表Tab.3 The bearing bush vibration data of Unit 2 in the Hanchuan Powre Plant under heavy load μ m ∠ (°),μ m

由于同樣的振動第2次發生在同一機組上,遂引起各方高度重視.通過再次對故障現象、振動數據進行認真分析,發現振動有如下特征:①振動主要表現在3號和4號軸承上;②振動呈階躍變化,且變化較大,然后穩定在某一幅值,基本不再變化;③3號和4號軸承垂直瓦振反向增大.

根據以上振動特征診斷認為,2號機組低壓轉子葉片斷裂的可能性較大,而且是第2次葉片斷裂,斷裂部位可能發生在末2級,尤其是次末級,并提請電廠揭缸檢查.

因當時正處夏季高溫季節,電負荷緊張,根據電廠意見,臨時采取動平衡處理方法,使振動滿足安全運行要求,并隨時密切注意葉片是否再次斷裂脫落及振動是否再次發生階躍,以待負荷緊張狀況稍有緩解時馬上進行揭缸檢查.

采用第1次故障時加重的影響系數,分別在低壓轉子3號軸承側逆轉向290°處和4號軸承側逆轉向110°處各加重360 g,一次使機組的振動回復到故障前的水平.加重的準確性進一步說明影響系數的重復性非常好,葉片斷裂脫落是低壓轉子階躍振動發生的根本原因,而不是之前分析的軸承支承系統脫焊、開裂等剛度問題.

在隨后9月的計劃小修中,通過機組停運強制快冷后目檢,未發現低壓轉子末級葉片斷裂.打開低壓2號內缸調端近8號低壓加熱器抽汽口的端板,并用內窺鏡儀檢查,發現次末級動葉有斷裂現象,于是決定揭缸檢修[7].揭開低壓外缸及2號內缸檢查,發現該低壓轉子汽端次末級有2片編號分別為F31號和F44號的葉片從頂部斷裂脫落,其中F31號葉片斷口為舊斷口,應是第1次斷裂葉片;F44號葉片為新斷口,應為此次斷裂葉片.2次葉片斷裂形狀示于圖4,實物照片示于圖5.

圖4 斷裂葉片示意圖Fig.4 Diagram of failed blades

圖5 斷裂葉片照片Fig.5 Picture of failed blade

揭缸后,通過內窺鏡在8號低壓加熱器殼體底部發現1塊動葉斷片.通過超聲波探傷儀對轉子末兩級葉片進行檢查,未曾發現表面裂紋[7].

由于該轉子葉片為舊型號葉片,汽輪機廠已不再生產,經過綜合考慮,葉片保持現狀,保留已加平衡塊,只對斷裂及擊傷部位進行適當打磨,消除應力集中,維持機組運行.

3.2.3 第3次故障診斷與處理

2008年6月14日,漢川電廠2號機組在正常帶負荷運行時軸系振動再次突然階躍增大,與前2次振動情形相似,從TSI上獲取的振動階躍前后數據示于表4,歷時曲線示于圖6.

表4 漢川電廠2號機組振動階躍前后軸振值表Tab.4 Shaft vibration data of Unit 2 before and after vibration step in the Hanchuan Powre Plant μ m

該次振動現象及振動特征與前兩次一樣,且階躍后的相位也與前次相同,應為前次斷裂葉片的相鄰葉片斷裂,電廠對該診斷結果已確定無疑,遂根據計算分別在低壓轉子3號軸承側逆轉向300°處和4號軸承側逆轉向120°處各加重300 g,再次使機組的振動回復到故障前的水平,機組至今仍在運行.

4 低壓轉子葉片斷裂故障診斷的重要性與主要振動特征

4.1 低壓轉子葉片斷裂故障診斷的重要性

通過以上對低壓轉子葉片斷裂故障的振動診斷及對多臺機組葉片斷裂故障的診斷分析實踐可知:300 MW機組低壓轉子葉片斷裂的故障診斷是一項影響因素較多、復雜且容易出錯的工作.一旦診斷錯誤,導致誤揭缸或晚揭缸,都將給生產與安全帶來嚴重后果,不僅耗費大量的人力、物力,同時也使發電量蒙受損失,或者使軸承損毀、轉子彎曲甚至機組破壞.因此,要求對葉片斷裂的診斷應有較高的準確性.

通過對軸振、瓦振幅值大小、變化以及相位變化的分析,結合波德圖和歷史數據等分析,可以準確診斷葉片斷裂與否,通過動平衡試驗及影響系數分析,可以在一定程度上進行定量分析.

4.2 低壓轉子葉片斷裂故障的主要特征

低壓轉子葉片斷裂故障有以下主要特征:①振動主要表現在低壓轉子兩端軸承上,偶爾影響到其他軸承;②發生故障時,振動幅值表現為階躍變化,且變化較大;③階躍后的振動幅值、相位基本穩定,振動表現為普通強迫振動;④通過波德圖分析可分辨一階或二階振動的變化;⑤動平衡試驗可使振動基本回復到故障前的水平,影響系數有很好的重復性.

圖6 振動階躍前后歷時曲線Fig.6 Duration curves before and after vibration step

5 低壓轉子葉片斷裂故障的現場處理

在低壓轉子發生階躍振動后,首先應對情況進行全面檢測、分析,在確診為葉片斷裂故障后,應根據機組的負荷計劃,盡早安排停機檢查:一方面,進行斷裂碎片查找;另一方面,采用內窺鏡進行斷裂部位查找.無論是否找到斷裂碎片或斷裂部位,都應對轉子結構和斷裂部位作進一步的分析,如葉片斷裂可能發生在具有松拉筋或葉頂圍帶的汽輪機級,則應立即揭缸處理,因為對于此類葉片,局部的破壞容易引起1組葉片的受力變化,從而引起大面積的應力集中和裂紋,如處理不及時,會進一步造成更多的葉片同時斷裂、脫落,而導致機組振動失控甚至嚴重破壞.一般,葉片斷裂可能發生在自由葉片的汽輪機級的范圍內,因為局部的破壞引起其他葉片大面積同時斷裂、脫落的可能性較小.倘若發電計劃不允許馬上揭缸檢修,可采用現場動平衡的方法先將振動降到合格范圍內繼續運行,等待檢修機會再盡快揭缸修復,但在運行中應密切關注振動的變化,以防發生突變情況.

6 結 論

(1)低壓轉子葉片斷裂故障的診斷主要依據軸振和瓦振幅值大小、變化以及相位變化,結合波德圖和歷史數據等進行分析;通過動平衡試驗及影響系數分析,并可在一定程度上進行定量分析.

(2)低壓轉子葉片斷裂故障的主要特征為:振動主要表現在低壓轉子兩端軸承上,偶爾影響到其他軸承;動平衡試驗可使振動基本回復到故障前的水平,影響系數有很好的重復性.

(3)低壓轉子葉片斷裂后,對斷裂發生在具有松拉筋或葉頂圍帶的汽輪機級的情況,應馬上揭缸處理;對于斷裂發生在自由葉片的汽輪機級的情況,如發電計劃不允許馬上揭缸檢修,應采用現場動平衡的方法先將振動降到合格范圍內繼續運行,等待檢修機會再盡快揭缸修復,但在運行中應密切關注振動的變化,以防發生突變情況.

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