彎曲轉(zhuǎn)子振動特性分析及處理

黃琪，何東，袁超，周創(chuàng)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

?

彎曲轉(zhuǎn)子振動特性分析及處理

黃琪，何東，袁超，周創(chuàng)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

文章描述了某亞臨界汽輪機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子彎曲發(fā)展過程，結(jié)合運行參數(shù)，分析了轉(zhuǎn)子彎曲的原因是由于熱應(yīng)力造成的，歸納了熱應(yīng)力造成的彎曲轉(zhuǎn)子振動特性，介紹了彎曲轉(zhuǎn)子的處理措施和效果，對后續(xù)機(jī)組運行監(jiān)視、轉(zhuǎn)子彎曲原因分析、彎曲轉(zhuǎn)子處理具有一定的借鑒意義。

汽輪機(jī)，高中壓轉(zhuǎn)子，熱應(yīng)力，彎曲，振動

0　前言

目前，大容量、高參數(shù)汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子普遍采用30Cr1Mo1V材料的鍛件加工而成，隨著機(jī)組的設(shè)計、制造與運行水平日趨成熟，發(fā)生轉(zhuǎn)子彎曲的概率越來越少。但是，近年來轉(zhuǎn)子彎曲故障仍偶有發(fā)生，部分是由于啟停過程的劇烈摩擦［1］引起的，部分是由于轉(zhuǎn)子受到冷沖擊［2］引起的，也有如文獻(xiàn)［3］提到的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子漸進(jìn)式彎曲等，還有部分是殘余應(yīng)力引起的轉(zhuǎn)子彎曲，不論引起轉(zhuǎn)子彎曲的原因如何，其最終機(jī)理是受外力或外界條件影響，轉(zhuǎn)子材料的變形超過了材料本身的屈服極限，而產(chǎn)生了塑性變形（轉(zhuǎn)子永久彎曲）。當(dāng)前文獻(xiàn)對碰磨、冷沖擊引起的轉(zhuǎn)子彎曲介紹較多，但對運行參數(shù)變化引起的漸進(jìn)式彎曲介紹較少，本文以某廠亞臨界機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子彎曲為例，分析、介紹運行參數(shù)變化引起的轉(zhuǎn)子彎曲機(jī)理、振動特性及處理。

某電廠300 MW機(jī)組為亞臨界、兩缸兩排汽、一次中間再熱、高中壓合缸機(jī)組，機(jī)組軸系由汽機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、汽機(jī)低壓轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子剛性連接組成，其軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，高中壓轉(zhuǎn)子支撐軸承為可傾瓦軸承，低壓轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承為橢圓軸承。

圖1　300 MW機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)

機(jī)組進(jìn)行通流改造（高中壓轉(zhuǎn)子更換為整鍛無中心孔轉(zhuǎn)子）后，首次啟動軸系振動均在優(yōu)良值范圍內(nèi)，連續(xù)運行半年后停機(jī)，再次啟機(jī)出現(xiàn)啟機(jī)困難，高中壓轉(zhuǎn)子過臨界時振動大，前后沖轉(zhuǎn)8次，最終過臨界時軸振通頻振幅160 μm。

1　振動故障發(fā)展過程

汽輪機(jī)機(jī)組自通流部分改造后，在第3次啟停機(jī)期間，機(jī)組連續(xù)運行了半年時間，第4次啟機(jī)時，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速至1 198 r/min時，1#瓦振偏大（31 μm），低轉(zhuǎn)速下振動保護(hù)動作跳機(jī)，降速至500 r/min，暖機(jī)14 min后再次升速，轉(zhuǎn)速至1 200 r/min時，1#瓦振18 μm，升速至1 470 r/ min時，1#瓦振迅速增大至56 μm，同時1X、2X軸振增大至115 μm、125 μm，機(jī)組打閘盤車。盤車期間對前箱滑銷系統(tǒng)滑塊進(jìn)行了檢查清理，滑銷系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)異常。

機(jī)組發(fā)生振動大、無法沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速事件后，采取分步磨合方式，共經(jīng)歷8次沖轉(zhuǎn)磨合后，才最終達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（見圖2），從機(jī)組前期運行趨勢（見圖3）發(fā)現(xiàn)隨著運行時間的增加，高中壓轉(zhuǎn)子振動逐步增大，從幾次停機(jī)過程對比曲線（見圖4）發(fā)現(xiàn)，停機(jī)過臨界振動振幅逐漸增大。

圖2　機(jī)組升速過程高中壓轉(zhuǎn)子振動波特圖

圖3　高中壓轉(zhuǎn)子振動半年趨勢圖

圖4　4次停機(jī)1X振幅與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

2　轉(zhuǎn)子彎曲判斷、原因分析及振動特點

2.1轉(zhuǎn)子彎曲判斷

從第4次啟機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子振動特性（見圖2）來看，振動以工頻為主，轉(zhuǎn)子過一階臨界振動大（1X工頻幅值達(dá)164 μm），檢查缸溫、疏水無異常情況，從趨勢圖3來看，轉(zhuǎn)子的振幅逐步增大，表明運行中轉(zhuǎn)子的原始不平衡量逐步增大，轉(zhuǎn)子發(fā)生了彎曲而非轉(zhuǎn)動部件脫落或松動。從圖4的幾次停機(jī)數(shù)據(jù)來看，過臨界振幅一次比一次大，表明轉(zhuǎn)子彎曲有一個逐步發(fā)展的過程。

檢修中，解體中低對輪，發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子中壓對輪晃度0.14 mm，大于安裝時的0.03 mm，驗證了高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了彎曲。

2.2轉(zhuǎn)子彎曲原因分析

由于機(jī)組投產(chǎn)時1X振動通頻振幅為40 μm，從連續(xù)運行半年時間的振動變化趨勢看（見圖3），1X軸振由40 μm左右逐步增加到80 μm左右，1Y軸振由40 μm左右逐步增加到70 μm左右，振動呈逐漸上升趨勢，漲幅達(dá)到1倍。結(jié)合4次啟、停機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子過臨界振動振幅逐步增大（以1X啟機(jī)過臨界通頻振幅為例，第1次為36 μm，而第4次達(dá)到140 μm），揭缸時高中壓轉(zhuǎn)子摩擦并不嚴(yán)重來分析，轉(zhuǎn)子彎曲發(fā)生在運行過程中，且彎曲是逐步發(fā)生的，原因可能是殘余應(yīng)力或運行參數(shù)影響導(dǎo)致的。

查詢制造廠的轉(zhuǎn)子毛坯檢驗結(jié)果和轉(zhuǎn)子加工處理過程，均符合標(biāo)準(zhǔn)，表明殘余應(yīng)力并非是導(dǎo)致該轉(zhuǎn)子彎曲的根本原因。

查詢機(jī)組運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)運行的半年時間內(nèi)，由于鍋爐再熱器原因，導(dǎo)致再熱汽溫度持續(xù)波動大，波動幅度最大達(dá)40℃。主再熱蒸汽溫差比較大，最大時達(dá)到近50℃，遠(yuǎn)高于制造廠要求的許可溫差18℃（見圖5）。

圖5為某日的主再熱溫差和負(fù)荷率的關(guān)系圖，直線區(qū)域下方為制造廠許可的運行區(qū)域，上方為禁止運行的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)機(jī)組長期偏離制造廠運行說明書要求運行。且在運行中，振動發(fā)生比較大的波動。

圖5　主再熱溫差與負(fù)荷率關(guān)系圖

振動幅值波動過程中，閥門開度與振動波動無明顯對應(yīng)關(guān)系，大軸偏心、高壓缸脹、油溫、瓦溫、主汽參數(shù)等均無明顯對應(yīng)關(guān)系，且振動波動主要為基頻成份，振動波動區(qū)間處在主再熱溫差數(shù)值較大的波動區(qū)間，圖6是與圖7同時間的負(fù)荷、1X振動隨時間變化趨勢圖，從圖6可以看出，振動波動區(qū)間基本在負(fù)荷變化區(qū)間，且振動變化與負(fù)荷變化無明顯對應(yīng)關(guān)系和重復(fù)性。

圖6　負(fù)荷（藍(lán)色）與1X（紅色）隨時間變化趨勢圖

按文獻(xiàn)描述［5］，較大的內(nèi)外應(yīng)力矢量相互交替，在敏感軸端的某些方向形成很大的應(yīng)力躍變，當(dāng)躍變達(dá)到或超過材料在該溫度下的屈服極限時，就會形成局部塑性變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲。

結(jié)合該機(jī)組運行情況分析，該轉(zhuǎn)子彎曲由以下3個方面的原因造成：

（1）該轉(zhuǎn)子由于長期受再熱汽溫的波動影響，轉(zhuǎn)子軸向溫度場也隨之發(fā)生波動，使高溫段轉(zhuǎn)子承受交變的熱應(yīng)力；

（2）由于再熱主汽溫波動的影響，導(dǎo)致中壓進(jìn)汽段轉(zhuǎn)子殘留的應(yīng)力各向異性迅速顯現(xiàn)；

（3）由于高溫段（主再熱段）溫差長期偏離設(shè)計值，并有較大的波動，且運行中過橋汽封段轉(zhuǎn)子徑向動靜間隙不均勻，在兩側(cè)出現(xiàn)溫差波動時，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過橋段（靠近中壓進(jìn)汽室側(cè)）周向溫度場不均勻，使得轉(zhuǎn)子承受交變的熱應(yīng)力。

在較大的內(nèi)外熱應(yīng)力矢量的疊加超過運行溫度下的屈服極限時，產(chǎn)生了局部塑性變形，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子的彎曲。

從機(jī)組大修時測量高中壓轉(zhuǎn)子彎曲的數(shù)據(jù)來分析，彎曲最大的位置在過橋汽封靠中壓進(jìn)汽室處（見圖7），最大彎曲量為11絲，因此，驗證了轉(zhuǎn)子彎曲是由再熱主汽溫度長期波動、與主汽溫度偏差大、造成高溫段出現(xiàn)交變的熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力各向異性釋放疊加造成的。

圖7　測量點及高中壓轉(zhuǎn)子彎曲量

2.3熱應(yīng)力造成彎曲轉(zhuǎn)子的振動特征

從上文的分析來看，熱應(yīng)力造成彎曲轉(zhuǎn)子的振動具有如下特征：

（1）從圖2可以看出，過臨界時振動大，振動頻率以工頻為主，具有彎曲轉(zhuǎn)子的一般特征；

（2）從圖3可以看出，在連續(xù)帶負(fù)荷運行過程中，軸振從40 μm逐步增加至80 μm左右，轉(zhuǎn)子振動幅值在運行中有逐步增大的趨勢；

（3）從圖4可以看出，隨著啟停次數(shù)的增加，過臨界幅值逐步增大，轉(zhuǎn)子的彎曲有一個逐步發(fā)展的過程；

（4）從圖6可以看出，轉(zhuǎn)子受運行參數(shù)的影響，在負(fù)荷變化過程中，振動波動幅值達(dá)30 μm，振動具有一定的波動性。

3　彎曲處理

目前處理高中壓轉(zhuǎn)子彎曲的方法有4種：第1種是采用直軸法［6］；第2種是轉(zhuǎn)子返回制造廠后，對彎曲量進(jìn)行切削加工，最后進(jìn)行高速動平衡；第3種方法，首先在制造廠內(nèi)對高中壓轉(zhuǎn)子整體進(jìn)行去應(yīng)力退火。根據(jù)材質(zhì)與尺寸分別確定最高加熱溫度，總處理時間為70 h。轉(zhuǎn)子冷卻后，再對剩余彎曲量進(jìn)行切削加工并整體加工、修正以消除對輪瓢偏，保證轉(zhuǎn)子同軸度，最后進(jìn)行高速動平衡；第4種是現(xiàn)場進(jìn)行高速動平衡，受彎曲量、加重位置、不揭缸狀況下能否加重、彎曲量對通流間隙的影響等限制，故此法多在彎曲量較小的轉(zhuǎn)子上進(jìn)行。

該轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)發(fā)生彎曲后，繼續(xù)間斷運行了一年多，過臨界振動未繼續(xù)惡化，表明轉(zhuǎn)子彎曲未再發(fā)展，根據(jù)典型蠕變曲線［7］，轉(zhuǎn)子已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段，因此未選取直軸法、去應(yīng)力退火法；由于高中壓轉(zhuǎn)子在不揭缸狀態(tài)下平滑效果有限，為保證經(jīng)濟(jì)性和安全性，采取返回制造廠進(jìn)行彎曲量車削加工、高速動平衡工作。

3.1轉(zhuǎn)子車削處理

根據(jù)測量的高中壓轉(zhuǎn)子晃度數(shù)據(jù)，對過橋汽封、轉(zhuǎn)子圍帶等部位進(jìn)行車削，將晃度降至3絲以內(nèi)。

3.2轉(zhuǎn)子高速動平衡

車削后的轉(zhuǎn)子進(jìn)入高速動平衡實驗室進(jìn)行動平衡，按廠家標(biāo)準(zhǔn)工作轉(zhuǎn)速下瓦振≤2.8 mm/s合格，高速動平衡過程中分別在高壓末級葉輪、中壓末級葉輪、中壓第1級葉輪平衡槽130°位置加重0.554 kg、0.17 kg、0.131 kg，平衡后轉(zhuǎn)子過臨界振動≤0.8 mm/s，工作轉(zhuǎn)速下，兩端瓦振分別為0.773 mm/s、0.716 mm/s。

3.3處理效果

轉(zhuǎn)子經(jīng)處理后，某次停機(jī)過程中，軸振通頻振幅小于40 μm，帶負(fù)荷后高中壓轉(zhuǎn)子軸振振幅最大60 μm，經(jīng)歷2次啟機(jī)過程、機(jī)組連續(xù)運行1個月，振動情況穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子彎曲得到了較好的處理。

降速過程高中壓轉(zhuǎn)子振動特性見圖8。

圖8　　　降速過程高中壓轉(zhuǎn)子振動特性

4　結(jié)論

對于高中壓合缸機(jī)組來說，偏離設(shè)計要求的過大主再熱溫差將在轉(zhuǎn)子徑向和軸向方向上產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力，在轉(zhuǎn)子殘留應(yīng)力的共同作用下，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運行中逐步發(fā)生彎曲，造成停機(jī)過程過臨界振動大，再次啟機(jī)由于振動大而造成啟機(jī)困難。

熱應(yīng)力引起的彎曲轉(zhuǎn)子具有彎曲轉(zhuǎn)子的共有振動特性，但其彎曲過程是一段較長的發(fā)展過程，在此過程中可通過機(jī)組啟停的波特圖發(fā)現(xiàn)，過臨界振幅隨啟停次數(shù)增大，長期穩(wěn)定運行中，振幅隨時間逐步增大。

彎曲后的轉(zhuǎn)子經(jīng)過車削后，能減少不平衡重量，有利于提高轉(zhuǎn)子的高速動平衡質(zhì)量，且車削后的轉(zhuǎn)子晃度減小，有利于減小機(jī)組的通流間隙，保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

［1］成學(xué)奎，許紅軍.淺析某電廠9號汽流發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子彎曲事故［J］.安徽電力科技信息，2009，（2）：25-26.

［2］龍勁強(qiáng).國產(chǎn)300 MW汽輪機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子彎軸事故分析［J］.江蘇電機(jī)工程，2008，27（4）：25-27.

［3］張俊杰，崔亞輝，周峰，等.600 MW等級機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子漸進(jìn)式彎曲故障分析及處理［J］.熱力發(fā)電，2013，42（7）：106-108.

［4］張學(xué)延，楊壽敏，張衛(wèi)軍，等.汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子材質(zhì)缺陷引起的振動問題［J］.中國電力，2010，43（5）：38-42.

［5］田國成，陳會平，柳洪濤.超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子彎曲及異常振動的分析與處理［J］.動力工程，2009，29（10）：909-913.

［6］李錄平，盧緒祥.汽輪發(fā)電機(jī)組振動與處理［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［7］王栓柱.金屬疲勞［M］.福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

Analysis of Vibration Performance and Treatment for Bending Rotor

Huang Qi，He Dong，Yuan Chao，Zhou Chuang
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper describes the developing process of HIP rotor bending of a subcritical steam turbine.By analyzing the operational data，the bending is caused by heat stress，and the vibration performance of bending rotor caused by heat stress is summarized.Then the treatment and effects are introduced，which is benefit to monitor running，analyze the reason of rotor bending and treat the same bending rotor.

steam turbine，HIP rotor，heat stress，bending，vibration

TK263

A

1674-9987（2016）03-0014-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.004

黃琪（1983-），男，碩士，工程師，2008年畢業(yè)于長沙理工大學(xué)，現(xiàn)主要從事振動診斷分析、處理工作。