供熱汽輪發電機組轉子彎軸事故的分析及處理

谷志德，李恒海，王宏偉

（1. 甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730050；2. 華電電力科學研究院，杭州 310030）

前言

某廠一臺 50MW 供熱式汽輪發電機組軸系由高、低壓轉子，發電機轉子以及 5個支持軸承組成。高、低壓轉子采用三支撐方式，發電機轉子為兩軸承支撐，轉子之間均為剛性連接。該機組軸系支承示意圖如圖 1。在一次大修結束后的冷態開機過程中汽輪機轉子發生了動靜碰摩。機組停機冷卻后揭缸測量，高壓轉子最大彎曲達到了0.13mm。通過對運行數據的分析，認為主要是由于高壓缸上、下缸溫差過大造成了動靜碰摩，進而發展為轉軸彎曲?，F場進行了高壓轉子直軸處理、高低壓轉子低速動平衡及高壓轉子聯軸器端面瓢偏修復。各項工作結束后，機組起動過程及帶負荷工況下，各軸承振動值達到了優秀水平。

圖1 機組軸系支承示意圖

1 事故過程

該機組在一次大修結束后的冷態開機過程中，在暖機轉速時，機組各軸承振動均在 30μm 以內；通過臨界轉速時，高、低壓轉子1號、2號、3號軸承振動分別達到 55μm、120μm、140μm。通過臨界轉速后，各軸承振動下降。當轉速升至 2500r/min后，1號、2號軸承振動再次快速上升，升速至 3000r/m定速時，高壓轉子 2號軸承振動達到 90μm。升速過程中, 機組高壓缸上、下缸溫差由中速暖機時的 33℃逐漸上升至80℃。定速十分鐘后，2號軸承振動降至 40μm，開始進行電氣試驗。隨著電氣試驗的進行，高壓缸上、下缸溫差繼續上升至 85℃，2號軸承振動最大上升至140μm 且有繼續上升的趨勢。運行人員緊急打閘停機。停機過程中，2號軸承振動最大達到400μm。

2 轉子測量和檢查情況

機組停機冷卻后揭缸檢查高、低壓轉子，發現高壓轉子前軸封第二組處有明顯的摩擦痕跡，轉子宏觀檢查未見明顯損傷，摩擦部位表面無裂紋，經用HL—D型硬度測試儀測量，布氏硬度為195～235，與未摩擦部位相比沒有明顯變化。

測量前首先在高壓轉子靠背輪處作了永久性等分記號，將轉子圓周方向8等分。按照轉子軸向布置6～8塊千分表測量，測量位置事先用砂紙打磨光潔，保證測量的準確性。同時在推力盤處水平對稱布置兩塊千分表，用于校核轉子彎曲數值和方向。各表計經檢查、確認完好。裝好之后，盤動轉子檢查，每轉一圈表針都能回到起始點后開始測量。為了檢驗測量數據的可靠性，對高壓轉子以上位置進行了第二次測量，測量數值與第一次測量數值基本一致。高壓轉子彎曲測量示意圖見圖2，轉子彎曲測量數據見表1。

圖2 高壓轉子彎曲測量示意圖

表1 高壓轉子彎曲測量數據 （單位：mm）

通過表1可以看出，高壓轉子前軸封第二組處（千分表4）位置彎曲值最大，達到了0.13mm，高點位置為A點位置。通過推力盤位置的兩塊表數值確認推力盤瓢偏絕對值也為0.13mm。測量高壓聯軸器端面瓢偏絕對值為0.14mm。

對低壓轉子進行測量后確認無彎曲情況。

3 事故原因分析

為分析事故原因，對相關運行參數進行分析，發現機組冷態啟動過程中出現的主要參數異?，F象是高壓缸上、下缸壁溫差超限值。

文獻資料[1, 2]表明，當上、下缸壁溫差過大時，會發生動靜之間的碰摩，引起轉軸彎曲。

一般情況下，高壓缸上、下缸壁溫存在差別，造成了上、下汽缸的膨脹程度不同。上、下汽缸的溫差越大，膨脹差異程度就越大。當上、下缸壁溫差較大時，就會造成汽缸彎曲，使汽封間隙減小。若上、下缸壁溫差繼續增大甚至超限時，汽封間隙就會進一步減小或消失，引起動靜碰摩。在轉軸與汽缸靜止部分發生碰摩時，由于相對摩擦的作用，碰摩部位的局部溫度很高，并且溫度上升也很快，轉子上以碰摩部位為中心的區域溫度梯度很大，局部材料受熱膨脹，產生極大的熱應力。在碰摩快速發展過程中，當熱應力超過該溫度下的材料屈服強度極限時，會使轉軸表面材料組織發生壓縮性塑性變形，溫度均勻之后，使得轉軸呈現向碰摩部位一側的永久彎曲[3]。

該機組冷態啟動升速過臨界時，2號、3號軸承振動超過規定值，本應停機處理，但運行人員卻強行通過，強烈的振動可能已使轉子與汽缸間發生徑向碰摩。隨著轉速的升高，高壓缸上、下缸壁溫差也逐漸增大，運行人員未設法解決上、下缸壁溫差大的問題，仍繼續提高機組轉速，導致上、下缸壁溫差超出設計限值很多，增大了發生動靜碰摩的機率。當機組定速后，2號軸承振動波動幅度達50μm，機組已發生明顯的碰摩，此時上、下缸壁溫差超出限值30℃，卻仍堅持運行；之后的一段時間，2號軸承振動快速上升，表明動靜碰摩已經進入中期階段；在緊急停機通過臨界時，2號軸承發生強烈振動，進一步加劇了動靜碰摩，最終導致轉軸彎曲。

4 事故處理措施

4.1 轉子校直處理

根據我們的經驗，當轉子永久彎曲大于 0.06m時，僅采用動平衡的方法不僅難以完全抵消彎曲對振動的影響，還會影響動靜間隙的調整。因此，應先用校直的辦法對彎曲轉子進行處理。

受搶修工期影響，此次轉子校直工作在檢修現場進行。由于高壓轉子彎曲值相對較小，轉子直徑相對較細，結合轉子材質，決定采用局部加熱法對轉子進行校直。在軸的彎曲高點局部急劇加熱，加熱部位金屬纖維將隨溫度升高而膨脹，但受到四周冷金屬纖維的阻止，使加熱部位金屬產生壓應力，在一定溫度下，此應力超過金屬屈服點，在金屬內產生殘余變形，冷卻后向原彎曲部位的相反方向彎曲，使彎曲高點消失[4]。

轉子校直時，燒口局部加熱溫度約 650℃，加熱結束后先保溫一定時間后，然后再自然降溫，待轉子完全冷卻后在汽缸內再次進行了轉子彎曲值的測量（測點位置與直軸前一致），測量結果見表2。由表2可以看出，轉子校直后原彎曲位置（千分表4）彎曲值由原來的 0.13mm下降至 0.035mm，能夠滿足機組正常運行要求。復測高壓聯軸器端面瓢偏為 0.12 mm。由于轉子彎曲狀況改善后，與校直前相比基本沒有發生變化。這表明，高壓轉子聯軸器端面瓢偏不是由于轉子彎曲造成的，而是聯軸器自身的原因。

表2 轉子校直后彎曲測量數據 （單位：mm）

4.2 轉子低速動平衡

考慮到高壓轉子經轉子校直后仍可能殘存較大的不平衡質量，此次啟動過程中低壓轉子過臨界及工作轉速下的振動也較大，決定在現場對高、低壓轉子進行低速動平衡。

低速動平衡裝置為膠皮墊式彈性低速動平衡臺，脫扣裝置為電機停運自動脫扣。轉子止推裝置為稀油潤滑[6]。拖動方式為變頻電機拖動。轉子惰走過程中的測振采用兩面軸承頂絲全松方式。

此次采用的變頻電機拖動方式與以往的交流電機拖動方式相比，優點是可以選取多階平衡轉速，缺點是起動轉矩較小，啟動時需借助外力助推轉子。

為了提高低速動平衡精度，兩根轉子的動平衡均采用測相法[7]。測振傳感器為美國本特利公司生產8mm電渦流傳感器，測取轉子兩個軸承處的的軸振；測相采用光電傳感器。

為降低高、低壓轉子在一階臨界轉速及工作轉速下可能存在的質量不平衡，此次低速動平衡分別進行了兩個轉子的一階、二階臨界轉速的平衡工作。

在現場平衡臺上，高壓轉子一階臨界轉速為144r/min，二階臨界轉速為224r/min；低壓轉子一階臨界轉速為174r/min，二階臨界轉速為261r/min。

表3為高、低壓轉子低速動平衡過程中的數據?？梢钥闯?，經過低速動平衡后，兩個轉子在一、二階臨界下的軸振動水平大幅度降低，表明兩個轉子的質量不平衡狀況得到極大改善。

4.3 高壓轉子聯軸器端面瓢偏的修復

在聯軸器的制造、安裝及使用過程中可能產生一定程度的端面瓢偏，只要瓢偏值在規定范圍內，就可以不作處理。如果聯軸器端面瓢偏過大，在高低壓轉子連接后將改變各軸瓦的載荷分配，使轉子靜撓曲發生變化，使原來調整好的汽封、油擋間隙發生變化，嚴重時會發生動靜碰摩；還會影響轉子支承狀態，使轉子振型曲線發生一定的變化，從而影響轉子在高速運行時的振動[5]。因此，當轉子聯軸器端面瓢偏超出規定值時，需要對轉子聯軸器端面瓢偏進行修復。

由于該機組高壓轉子聯軸器端面瓢偏值嚴重超標，必須進行修復。采用標準平板修刮等檢修工藝，將該機組高壓轉子聯軸器的端面瓢偏由原來的 0.12 mm修復為0.03mm，達到了制造廠的相關要求。高低壓聯軸器連接后去掉高壓轉子低壓側假瓦，測量高壓轉子圓周跳動，最大位置為高壓轉子后軸封處，數值為0.11mm，在檢修規程要求范圍內。

表3 高、低壓轉子低速動平衡數據表

5 處理后的效果

搶修結束后，機組啟動。整個啟動過程很順利。升速過臨界轉速時，各軸承振動均不超過 50μm；3000r/m 定速及帶負荷時，各軸承振動不超過 15μm。超速試驗過程中各軸承振動均小于15μm。各工況機組軸承振動值，均低于制造廠的規定值，具體數據見表4。之后，經連續一個月的考核運行，高低壓轉子各軸承振動及波動幅度均正常，機組振動趨于穩定。

表4 處理后機組振動值 （單位：μm）

6 結束語

（1）高壓缸上、下缸溫差超過規定值是造成該機組啟動過程中發生動靜碰摩及彎軸事故的主要原因；

（2）對該機組實施的轉子校直、轉子低速動平衡及高壓轉子聯軸器端面瓢偏修復等技術措施均取得了預期效果，汽輪機各軸承振動水平達到了國家有關標準規定的優良水平。

[1]鄭彩平, 何健康, 宋文希. 韶關發電廠 9號機組汽缸溫差大的原因分析及處理[J]. 熱力發電, 2006, 4:44-45, 61.

[2]吳志剛, 孟臨潼. 210MW 汽輪機大軸彎曲原因分析及直軸方法[J]. 廣東電力, 2007, 12: 52-54.

[3]陸頌元, 汽輪發電機組振動[M]. 北京: 中國電力出版社, 2000.

[4]常咸伍, 霍如恒. 汽輪機本體檢修實用技術[M].北京: 中國電力出版社, 2004.

[5]施維新, 石靜波. 汽輪發電機組振動及事故[M].北京: 中國電力出版社, 2008.

[6]于海慧. 彈性體式低速動平衡裝置的制作[J]. 吉林電力技術, 1996, 5: 49-50.

[7]許世文. 測相法在轉子低速動平衡上的應用[J].山西電力, 2003, 1: 19-20.