軸系斷裂的防范措施

周 軼，崔 野

中電投電力工程有限公司煙臺分公司，山東煙臺 265116

多年以來，國內先后發生了數十起大型汽輪發電機組軸系斷裂災難性事故，給國民經濟造成了巨大經濟損失。這些事故破壞程度一次比一次嚴重，原因越來越復雜。國內外已發生的軸系斷裂事故表明，大都發生在機組嚴重超速事故中，其技術原因除超速產生的離心力、劇烈振動引起的破壞外，還與軸系連接件質量不良有關。

對某些事故的原因與責任，當時的專家調查組已有定論。而對事故斷軸的內在起因、過程、機理，盡管現今的轉子動力學、振動力學、斷裂力學等以有的方法和研究結論可以局部的說明，但對于關鍵疑點，至今仍無法從學術和技術角度給出清晰、明確的解釋。

更為重要的是，類似上述的惡性事故至今仍在繼續發生。近一二十年來，日本關西省海南電站600mW機組、美國GE公司900mW機組（安裝在臺灣核三電站）以及其他一些國外大型機組，也相繼發生過類似的斷軸事故。

這些屢發的斷軸毀機事故以及更多存在的事故苗頭，對目前國內太熟劇增的容量、高參數汽輪機組的安全穩定運行，構成了嚴重的威脅。防止和杜絕大型發電成套關鍵設備毀壞事故的重演，是一項重要的課題。

對國內外這些事故的分析表明，事故原因主要有兩大類：材質缺陷和振動。從發生是故事機組所處的工況統計，約有50%以上是在制造廠內試車或進行危急保安器超速試驗過程中發生的，約30%是在啟動過程中發生的。

軸系惡性斷裂與機組一般的重大事故不同，它們會帶來巨大的經濟損失和不利的社會影響。根據現今技術的發展，可以斷言，這種事故是完全可以防范的。從設計制造方面提高大機組軸系的安全可靠性，從運行方面強化有效的振動監測手段，推行嚴格科學的設備檢修管理辦法，這對防止大機組軸系斷裂事故是非常有意義的。

1 振動狀態監測和檢修方面的防范措施

1.1 加強振動狀態監測

軸系斷裂惡性事故發生的兩大原因，一是振動，一是材質。從現有的國內外事故發生前后的記錄看，無論哪一種原因，斷軸發生前在振動上都有所反應。這是因為轉子部件強度或剛度的惡化要有一定的時間，軸承瓦蓋的松動、聯軸器螺栓或瓦蓋螺栓的損壞、轉軸裂紋的擴展，都不會在數秒內使轉子強度從完全正常的狀態發展到極限，這個發展過程有時會很長。從機組整體來看，在軸系毀壞后期過程中，多數部件的破壞可能較快，但事故前期造成起因的個別關鍵部件的狀況必定有一個緩慢變化的過程。

這里，葉片的斷裂應該排除在外，它是突發性的，可以在事先毫無跡象的極短時間內發生。但是，如果葉片斷裂后進一步造成轉軸斷裂，這必定需要時間。

轉軸材質缺陷造成的軸系斷裂事故也是如此。裂紋的產生與擴展同樣需要一個時間過程。這種情況對判斷機組——轉子狀態提供了有利的條件。由此，對大型機組的振動狀態監測是保證機組安全，防止軸系斷裂事故發生的一條十分有效的措施。問題的關鍵是如何從事故發生前的蛛絲馬跡中及時準確地做出判斷。為此應該具備如下兩個基本條件：

1）完善的監測系統。它應該精確、快速、高效率地提供所需的大量數據；

2）具有根據振動現象對機組故障和狀態進行分析判斷的知識和經驗。

隨著計算機技術的發展，第一個基本條件已經具備，現代大型機組配備的振動監測系統有些已經能夠滿足要求。對于第二個條件，到目前為止，尚沒有非人工的系統能夠實現。

1.2 檢查

定期對大軸、大軸內孔、發電機轉子護環等部件進行探傷檢查，以防止產生裂紋導致軸系嚴重損壞事故。

1.3 檢修

對于今后的大容量汽輪發電機組，振動問題越來越重要。不僅在結構上，在安裝和時運方面也必須比以往更加注重振動問題。安裝過程中，必須保證有完善的軸承安裝實施措施，確保軸承的安裝與緊固；完善的動平衡措施；對于共振轉速和各臨界轉速，因該是先明確規定振動的上限和過大振動的應急處理方法。

2 設計階段對軸系事故的防范原則

從防止大型機組軸系發生斷裂的角度出發，軸系動特性設計要求考慮軸系具有承受突發的大不平衡的能力，如葉片飛脫和大的扭矩；并且要求保證轉子相對剛提的長久對中。

軸系非線性振動的研究結果增加了對大容量汽輪機大不平衡引起的振動的理解，但尚有許多方面目前還沒有涉及到。對將來應進行的研究工作和研究結果的實際應用提出下述建議：

1）鑒于前面的原因，建議給予軸承設計與重要性相稱的重視；

2）還應進行同類內容更廣泛的研究和分析，對現在所有的大容量汽輪發電機組上所采用的軸承結構進行評價，以向電力部門提供用各種現已采用的軸承結構來避免機組發生大不平衡事故的知道方法；

3）應進行類似的分析來研究新的軸承設計，以最大限度地避免大不平衡事故，同事又滿足對現有設計有影響的其它實際限制條件。應該檢驗軸承內部結構細節以及軸承結構的支撐特性；

4）“重載”擠壓油膜阻尼器現在引起了廣泛的研究興趣。除了因汽輪機、壓氣機或風機在運行中喪失葉片的事故而產生大不平衡情況外，這種阻尼器預期還能保持“潛伏狀態”，大的振動能自動激發這種阻尼器。為了評價擠壓油膜阻尼器能否更好地控制汽輪發電機組大不平衡引起的振動，應該對這種阻尼器進行分析；

5）在大不平衡緊急故障期間，應該進行分析和試驗確定在軸承喪失其控制大不平衡引起的振動的正常能力以前，各種軸承結構的承受能力究竟有多大？這對于可傾瓦徑向軸承是特別重要的，因為這種結構視乎最有可能防止這類事故；

6）在大不平衡狀態下，轉子跨距中間位置（兩軸承之間）的振動可以大到足以引起轉動和非轉動部件之間的嚴重沖擊和摩擦。在以后的非先行動力學分析中，應包括這些因素，以確定嚴重摩擦和沖擊現象對振動水平的影響；

7）鑒于非線形動力學分析結果具有重要意義，在實驗室試驗模型上對這類分析進行試驗驗證是迫切希望的，也是很合理的。

3 結論

機組主、輔設備的保護裝置必須正常投入，已有振動監測保護裝置的機組，振動超限跳機保護應投入運行；機組正常運行瓦振、軸振應達到有關標準的優良范圍，并注意監視變化趨勢。

不合格的轉子禁止使用，已經過主管部門批準并投入運行的有缺陷的轉子應進行技術評定，根據機組的具體情況、缺陷性質制定運行安全措施，并報主管部門審批后執行。

[1]陸頌元.國產200mW汽輪發電機組振動穩定性[J].電力技術，1992，2.

[2]張游祖.兩臺200mW機組斷軸事故分析[D].全國第二屆轉子動力學學術討論會論文集，1989.

[3]防止國產200mW機組軸系斷裂事故暫行措施[J].電力建設，1988 (10).

[4]陸頌元，汽輪發電機組大不平衡非線性振動與軸系事故[J].動力工程，1994，6.