某臺12MW背壓式汽輪機軸承烏金碎裂分析

李青山　楊春雪

摘 要：天津大沽化熱電分廠3#汽輪機是由南京汽輪機廠生產(chǎn)的背壓式汽輪機，額定負荷12MW，機組每次例行小修總是發(fā)現(xiàn)1#軸承烏金碎裂，但機組在運行中帶負荷時軸振比較穩(wěn)定，軸瓦振動與軸瓦溫度均正常。分廠與制造廠家曾提過很多次解決方案，但效果總是不明顯，以至機組長時間帶病運行。本次對機組的大修改造中發(fā)現(xiàn)了導致機組頻繁碎瓦的原因所在，機組存在的安全隱患得以徹底消除。

關鍵詞：背壓機組；轉子；后汽封套筒；軸瓦

1 3#汽輪機組簡介

3#汽輪機組是南京汽輪機廠生產(chǎn)的12MW單缸次高壓沖動背壓式機組，額定進汽量145t/h，額定進汽壓力5.0Mpa（表），排汽壓力0.98Mpa（表）。轉子的結構為一個雙列復速級，三個壓力級，葉輪與轉軸的連接方式為套裝，支撐方式為橢圓瓦支撐。機組自投產(chǎn)后一直存在軸瓦振動大以及帶不滿負荷（最高10500kw）、汽耗高、調速系統(tǒng)擺動大、軸瓦振動大的缺陷。1997年轉子因振動問題復速級葉輪葉片及壓力級葉輪斷葉片返廠大修。2003年為了解決軸瓦振動大問題，轉子返廠檢修廠家檢查發(fā)現(xiàn)轉子彎曲，懷疑是后汽封兩個套筒過長引起的，將后汽封的兩個長套筒中間切開變成四個短套筒，以消除套筒與轉子之間因同軸度導致轉子彎曲問題，但由于轉軸上沒有與四個套筒相對應的軸肩，套筒只能采用采用螺釘徑向定位，此系為第一次改造。改造后，軸瓦振動得到了改善。但卻產(chǎn)生了新的問題， 1#瓦碎瓦。為了找到瓦振合格但軸瓦頻繁碎裂的原因，當時請了天津電科院的技術人員對轉子振動進行監(jiān)測，監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)轉子在運行存在振動跳動現(xiàn)象，尤其是在加減負荷時尤其明顯。電科院技術人員對碎瓦給出的結論是蒸汽轉子通流中有擾動，擾動力導致轉子出現(xiàn)不規(guī)律的振動突變從而產(chǎn)生激振力，激振力作用在軸瓦鎢金上，使得軸瓦鎢金疲勞碎裂。為了解決碎瓦問題，制造廠家也多次提出過很多方案，但效果一直不明顯。2005年為了解決上述問題，由哈爾濱汽輪機廠對其進行了第二次改造，更換了轉子葉輪及葉片、隔板及葉片，前汽封套筒，因預算問題保留了老轉軸以及后汽封套筒的結構形式。改造后帶不滿負荷問題得以消除，汽耗也有了明顯的改善，但軸振大碎瓦問題依然存在，到2012年3月為止3#機一直處于帶病運行狀態(tài)。2012年12月21日，3#機1#瓦溫在油溫保持不變的情況下波動，從54℃～59℃，濾油時發(fā)現(xiàn)油紙發(fā)黑，根據(jù)分廠安排停機檢修。檢修時發(fā)現(xiàn)1#瓦下瓦烏金碎，上瓦烏金碎，更換1#瓦上下瓦。2013年1月11日在小修換瓦后再次啟動，在轉速達到1033rpm時，1#瓦軸振X向達到200um，無法中速暖機，分廠決定停機討論方案。在討論中初步認定3#機的轉子可能存在永久性的彎曲或者套裝部件出現(xiàn)熱松動導致動靜摩擦，已經(jīng)不具備開機運行條件，遂上報申請大修改造。

2 問題的發(fā)現(xiàn)

第三次改造得到公司的批準后，轉子返廠檢修。制造廠將轉子在專用的機床上對轉子的各級葉輪徑向與軸系跳動進了測量。

從數(shù)據(jù)中可以看出，葉輪的斷面跳動超過允許值，說明轉子的彎曲度超標，但超標是葉輪安裝偏差還是轉軸彎曲引起的，需要通過將葉輪拆裝后判斷。因此制造廠對轉子的各部件進行熱拆，并對各級葉輪的內孔及轉軸的彎曲度進仔細的測量。在對光軸的測量時發(fā)現(xiàn)轉軸存在重大缺陷，轉軸的彎曲度超標，彎曲度最大在第三級葉輪的軸肩處最大0.13mm，兩端0.07mm，最大值方向一致。制造廠出廠的標準是不超過最大彎曲度不超過0.06。從理論上我們知道，轉子彎曲度大與轉子存在重量不平衡對轉子的影響是一樣的，會導致轉子振動振幅增大。轉子組裝后給動平衡帶來很大的難度甚至無法平衡。平衡后的殘余不平衡量導致長期的軸振將對軸瓦的碎裂有著直接的影響，這也是導致3#機碎瓦的主要原因之一。這也同時解釋了第一次改造時后軸封的兩個長套筒被切割成四個短套筒后誘發(fā)了碎瓦，套筒的切割釋放了轉子的彎曲。切割后的套筒無法利用軸肩軸向定位，徑向螺釘?shù)倪B接強度達不到運行中對熱應力的要求。運行中發(fā)生熱松動加劇了軸振的強度。

3 問題的處理

3.1 老軸出現(xiàn)軸彎曲后，廠家可以通過直軸工藝對轉軸直軸，但要求較高的熱處理工藝，質量不好保證，費用比較高昂。介于后軸封套筒沒有軸肩，若更換轉軸后可以重新加工出軸肩，以解決后軸封套筒第一次改造后可能誘發(fā)的缺陷。因此公司決定將主軸更換。并且利用重新加工軸的機會，將1#瓦的軸頸從160mm增加到170mm。這樣做的目的是為了提高轉軸的抗彎剛度。3#機組與同類型機組相比有一個特點，壓力級設計少一級，一般為4級。但轉軸比其他機組的轉軸細，同類型的機組1#瓦處的軸頸一般設計為180mm。將160mm與170mm分別帶入上式，兩式相比我們可以計算出改造后轉軸的抗彎強度是改造前的1.3倍。與之相匹配的將1#軸瓦內徑改為170mm。

3.2 在主軸上后軸封套筒部位加工軸肩，后汽封套筒用軸肩定位。確保汽封套筒與轉軸之間是過盈配合，而不是原轉軸汽封套筒與轉軸之間的間隙或過渡配合只能采用螺釘徑向定位的方式，防止套筒的熱位移。轉子經(jīng)過熱處理車床磨床加工等一系列機械加工后，測量轉軸的徑向跳動在不超過0.03mm，完全合格。將各汽封套筒以及葉輪熱裝到新轉軸上，套裝后對轉子的各級葉輪及端面機輪緣跳動測量，各項數(shù)據(jù)均合格。與改造前相比，改造后的主軸以及各級葉輪的跳動都由了明顯的改善。改造的其他部分如軸承座的相應改造以及汽缸汽封體的調整就不再一一敘述。

4 改造后啟動各項數(shù)據(jù)

3#機于2013年6月6日啟動，啟動過臨界時3#瓦處的臨界瓦振最大0.71mm，1#瓦瓦溫從47.3℃上升至63.4℃并穩(wěn)定。帶負荷后，機組的軸振均后了明顯的改善，除了在臨界振動處超過200μm外，其余時間軸振都沒有超過80μm，穩(wěn)定帶負荷后2#瓦軸振保持在60μm。2013年7月25日3#機大修改造后為了對軸瓦運行情況做一個檢驗，并對改造效果做一個評估，停3#機檢修。8月13日機組冷卻后打開前軸承箱檢查1#瓦，1#瓦運行正常。至此持續(xù)多年的影響機組安全的重大隱患得以成功消除，改造取得了圓滿的成功。

5 結束語

汽輪機轉子發(fā)生永久性彎曲事故，是火力發(fā)電廠的重大惡性事故之一。它不僅增加機組的非計劃停運時間，而且還要耗用相當多的檢修費用，是火力發(fā)電廠絕對不愿意發(fā)生的事。造成大軸彎曲的因素是多方面的，但從永久性彎曲特征上歸納，主要有兩類：一類是轉子振動使汽封或軸封動靜間隙消失而產(chǎn)生摩擦。另一類是汽缸進冷水，使轉子局部受到急劇冷卻。本文所涉及到顯然屬于第一類，長期的轉子振動使轉子疲勞彎曲。但轉子的永久性彎曲在超標不嚴重時有具有隱蔽性。如本文中3#機轉子在檢修中用揚度測量儀測量時并沒有發(fā)現(xiàn)彎曲度超標，大修時難以發(fā)現(xiàn)此類故障，因此導致缺陷多年沒有得到解決。也只有在將所有的其他可能導致轉子振動增大的因素全部排除后，最后一招就是拆掉轉子的套裝部件測量轉軸的彎曲度才會得到最終的驗證。但這會給檢修打來很大的工作量以及昂貴的檢修費用，因此在運行加強運行管理顯得尤為重要。