5CL-6BD型汽輪機故障處理

李衛衛 陳振文 趙春楠

(兗礦魯南化工有限公司)

某公司合成氨系統合成氣壓縮機組是由汽輪機驅動，兩端軸輸出分別拖動壓縮機高、低壓缸。該汽輪機自2008年開車以來，運行中陸續出現了一些問題，如后軸承溫度高、汽封彈簧失效及圍帶汽封條的多次損壞等，嚴重影響了汽輪機的運行安全和效率，筆者通過對問題原因的分析并結合多次檢修經驗提出了相應的處理措施。

1 汽輪機參數

汽輪機參數如下：

型號 5CL-6BD

級數 6

額定功率 9 628kW

最大連續轉速 12 705r/min

一階臨界轉速 5 000r/min

額定轉速 12 100r/min

跳車轉速 13 975r/min

最高入口壓力 3.8MPa(A)

額定入口蒸汽壓力 3.6MPa(A)

最高排汽壓力 200kPa(A)

額定排汽壓力 12kPa(A)

最高進口溫度 450℃

額定入口蒸汽溫度 400℃

出口溫度 49℃

2 汽封彈簧問題

汽封裝置的作用是阻止蒸汽泄漏，故對汽封間隙有嚴格要求。在長期高溫和應力作用下，汽封彈簧會發生顯著的塑性變形，其初應力不斷下降，汽封間隙逐漸增大，漏汽損失增加，最終汽輪機的效率降低[1]。通常的解決方法是定期更換汽封彈簧(更換周期一般為1～2年)。5CL-6BD型汽輪機軸端汽封裝置為彈簧迷宮式汽封，汽封圈采用整體車制，每級汽封圈由6塊弧段組成，汽封圈弧段間留有0.10～0.25 mm的膨脹間隙，汽封與轉子的半徑間隙為0.21～0.41mm。汽封每弧段背部由3個彈簧支撐，以保證與轉子之間的間隙。

該汽輪機檢修后運行不久曾多次出現軸端汽封輕微漏汽現象，在一次運行6個月之后的檢修中，對汽封裝置進行檢查分析，發現越靠近蒸汽入口處的汽封環，其背部支撐彈簧塑性變形越嚴重。汽封彈簧安裝時自由高度為20mm，一級進口汽封環(軸端汽封)支撐彈簧自由高度已降低到只有12.5mm，已經完全失去支撐汽封環的作用。正是汽封彈簧的失效才導致了汽封間隙的增大，最終造成蒸汽的泄漏。

該汽封彈簧為圓柱形彈簧，材料為50CrVA，該材料具有優異的力學性能和工藝性能，具有較高的疲勞強度，是一種優質的彈簧鋼，但只能適用于250 ℃以下工作環境，超過此溫度彈簧的抗應力松弛性能就會明顯下降。汽輪機額定入口蒸汽溫度為400℃，已超出該種材料的適用范圍，故而造成汽封彈簧使用過程中的失效，因此需對彈簧材料進行重新選擇。

GH4145 合金為鎳基耐高溫合金，800℃以下具有較高的強度，540℃以下具有較好的耐松弛性能，同時還具有良好的成形性能。主要用于800℃以下工作并要求強度較高、耐松弛的平面彈簧和螺旋彈簧。可以看出，GH4145材料完全能夠滿足現場使用要求。

更換汽封彈簧材料運行14個月后對汽輪機進行檢修，對各汽封進行檢查，汽封間隙無明顯變化，汽封環下壓后回彈均勻有力，表明汽封彈簧能夠正常工作。靠近蒸汽入口處一級進口汽封彈簧拆下后，自由高度17.8～18.2mm，較安裝時平均彈簧自由高度降低約2mm。2～5級進口汽封因工作溫度較一級已大大降低，彈簧塑性變形也更小，其自由高度下降均在1mm以內，仍能繼續使用。更換汽封彈簧材料不僅減少了蒸汽泄漏，提高了汽輪機效率，更因使用周期的延長而降低了維修費用。

3 汽輪機圍帶汽封修復

5CL-6BD汽輪機3、4級圍帶汽封(葉片汽封)為嵌入式汽封，材料為2mm厚銅環。制造時先粗加工成兩個半圓環，然后鑲嵌至汽輪機上下隔板上，機加工成滿足最終尺寸的尖刃狀。2012年12月份，由于前系統蒸汽中斷導致汽輪機跳車，重新開車時因汽輪機振動大導致機組跳車。在對汽輪機進行拆檢軸承時發現轉子葉輪圍帶有磨損痕跡，同時2、3級圍帶汽封銅條卷曲，并有部分銅條缺失。 從受損圍帶及汽封檢查情況來看，二者位置相吻合，由此可以判斷二者損壞為動靜部分發生碰摩[2]。碰摩發生原因：為提高機組熱效率，該兩級葉片圍帶與汽封間隙值設計偏小，實際間隙值只有0.55～0.85mm；因存在低負荷運行時間較長的情況，使后面排汽溫度較高，缸體受熱不均勻造成了汽缸的變形；機組因振動跳車，也會導致動靜碰摩。

汽封返廠修復所需時間較長，因當時生產任務緊張而未做處理。2013年3月份系統檢修，為處理遺留的圍帶汽封和轉子隱患問題安排對汽輪機進行了檢修。采用廠家派人來現場加工的方法，避免了隔板返廠，節約了檢修時間。同時，在汽封精加工時對汽封間隙進行了調整，將2、3級汽封間隙增大0.2～0.3mm，避免可能再次發生動靜摩擦的情況。

4 汽輪機后軸承超溫

自系統開車以來，汽輪機一直存在后軸承(非止推側徑向軸承)溫度高的問題，穩定運行時軸承溫度在108℃左右，最高曾達到118℃(報警值105℃，跳車值120℃)，由于后軸承一直處于報警狀態，造成系統無法加量，制約著系統產能。

5CL-6BD汽輪機后軸承為5塊瓦的可傾瓦徑向軸承，瓦塊之間為潤滑油噴油嘴，瓦塊兩側為擋油環。針對軸瓦超溫問題，在汽輪機多次檢修中，對瓦塊、軸承間隙、熱偶甚至油路等進行多次檢查和更換，但未發現問題。2012年12月份，因后軸承損壞，在對軸承更換的過程中，再次對后軸承組件進行檢查，發現了擋油環間隙偏小的問題。擋油環材料為25/ZSnSb11Cu6，靜止狀態下擋油環與軸間隙一側為0.29～0.39 mm，另一側為0.41～0.47mm，軸承徑向間隙為0.17～0.23mm。檢修時實際測得后軸承組件軸承徑向間隙為0.20mm，擋油環兩側間隙分別只有0.20mm和0.32mm。因為擋油環間隙過小，導致后軸承潤滑油回油阻力增大，進而導致潤滑油流量減小[3]，軸承運行中產生的熱量不能被及時帶走，最終造成后軸承運行時軸瓦溫度高，甚至這次跳車事故造成的軸承損壞也跟其有直接關系。因此，對擋油環進行加工，安裝后擋油環兩側實際間隙分別為0.31mm和0.42mm。汽輪機開車運行后，后軸承溫度一直穩定在85℃以下。

5 末級葉片拉筋裂紋

該汽輪機在運行4年后，對轉子進行探傷檢查時，發現末級葉片拉筋處出現3處微小裂紋。汽輪機末級葉片拉筋結構采用平板翼型拉筋，這種形式的葉片裝配之后，板狀拉筋之間有0.0～0.1mm的配合間隙。運行過程中當葉片振動時，拉筋之間互相摩擦碰撞，摩擦阻尼耗散振動能量。這種拉筋結構消除了葉片間同相位的切向振動，減少了多種振型的葉片振動，相對于其他自由葉片而言，降低了葉片的動應力。

末級葉片材料為SUS630(0Cr17Ni4Cu4Nb)，該材料在末級葉片上應用廣泛[4]，此外，末級共有84個葉片，而運行多年后僅有3根葉片拉筋處出現裂紋，說明葉片強度滿足要求，裂紋只是個別問題。由于葉片運行中的振動，會使葉片之間產生往復的微量位移，這種相互接觸和摩擦必然使葉片之間產生一定的作用力，隨著運行時間的增加，相互接觸摩擦部位可能會造成疲勞損壞，進而在局部點接觸應力集中部位產生疲勞裂紋。在觀察葉片裂紋部位時，也發現裂紋處葉片與凸臺之間接觸不夠均勻，拉筋凸臺有尖角，存在應力集中點。因此葉片拉筋凸臺的接觸疲勞應是造成裂紋出現的主要原因。

轉子末級葉片拉筋凸臺斷裂位于底邊1～2mm，高度3～4mm，凸臺尖角斷裂部位很小，不會對葉片強度造成影響。經與廠家交流，決定對斷裂部位進行打磨處理，將斷裂的凸臺拐角去除，并對去除后的拉筋打磨圓滑，以避免應力集中，同時檢查處理其他葉片拉筋接觸情況，最后轉子做動平衡處理。處理后的轉子運轉良好，在運行一年以后檢查，未有新的裂紋出現。

6 結束語

引起汽輪機組故障的原因很多，這就要求在分析查找問題時，要認真消化廠家技術資料，同時結合現場實際，對可能的原因認真排查，才能找到事故根源，采取切實可行的措施。5CL-6BD經過檢修和優化，現運行穩定，運行周期大大延長，消耗降低到最低水平，系統操作彈性增強，合成氨日產由760t增加到780t以上，為公司創造了巨大的經濟效益。

[1] 任軍，焦利峰，解志宏，等.引進型亞臨界330MW汽輪機汽封彈簧失效的研究[J]. 內蒙古電力技術， 2004，22(4):25～28.

[2] 李家鋒.600MW汽輪機葉片圍帶損傷及脫落的原因分析及修復[J]. 華北電力，2009，22(4):68～69.

[3] 盧頌峰.具有擋油環結構的可傾瓦徑向軸承流量的計算[J].潤滑與密封，1984，39(4):15～19.

[4] 徐鑫金，張偉，謝會武.二氧化碳壓縮機汽輪機葉片斷裂原因分析及優化[J].大氮肥，2014，37(1):33～37.