小型背壓式汽輪機徑向軸承振動故障分析

王輝

（晉煤金石化工投資有限公司，河北石家莊050000）

小型背壓式汽輪機徑向軸承振動故障分析

王輝

（晉煤金石化工投資有限公司，河北石家莊050000）

HG25/16/8型背壓式汽輪機，排汽側軸承振動無規律、頻繁、大幅度波動，機組運行不穩定。

背壓式汽輪機；徑向軸承；振動故障

0 引言

背壓式汽輪機是指排汽壓力高于大氣壓力的汽輪機，蒸汽在其內部做完功后從高壓蒸汽變為中、低壓蒸汽，供其他有需要的系統繼續使用。背壓式汽輪機具有結構簡單，經濟性好的特點，但對背壓蒸汽管網穩定性有一定要求，所以常用在小功率機組上面。與凝汽式汽輪機不同，由于背壓式汽輪機沒有龐大的凝汽器與排缸相連，所以其體積與質量都相對較小，這樣便很容易受外力影響導致其汽缸產生相對位移，進而引發一系列振動故障。以HG25/16/8型背壓式汽機的振動故障為例，分析汽機徑向振動過高的原因，通過對進汽管道改造和消除汽機內部汽流激振的方法，使機組恢復正常運行。

1 檢修前運行情況

故障機為杭汽生產的HG25/16/8型背壓式汽輪機，進汽壓力8.65 MPa，排汽壓力3.92 MPa，正常功率2650 kW，正常轉速12 000 r/min，已連續運行一年半左右。被驅動壓縮機為重慶通用公司所生產的KLDAJS-C型氨壓縮機，和汽機之間采用撓性疊片式聯軸器連接。機組軸系布置圖見圖1。

汽機主要故障表現為排汽側軸承振動點VT63063與VT63064無規律、頻繁、大幅度波動，機組運行十分不穩定。由振動趨勢圖可以看到機組正常運行時，汽機進汽側軸承振動均在10 μm以下，排汽側軸承振動在20 μm左右；當振動開始波動時，排汽側振動幅度非常大，經常達到報警（40 μm）及跳車（63 μm）值，5 d時間內聯鎖停車近10次。該機組振動趨勢圖見圖2。

2 主要問題

（1）通過現場觀察發現，熱態時汽機前后貓爪墊片全部頂死，不能自由活動，而在冷態時各墊片是可以自由活動的，這說明機組在熱態時出現頂缸現象。由于該汽機體積較小，質量較輕，管道溫度上升后受熱應力產生膨脹變形，將汽缸向上抬起，使貓爪墊片間隙消失，汽缸不能自由向下膨脹，進而改變汽缸的空間位置。而此時因軸承座位置沒有變化，所以轉子空間位置是不變的，這樣汽缸與轉子在熱態下相對空間位置就會產生變化，破壞機組在冷態下轉子定位所得到的動、靜間隙，在運行期間，轉子下部與汽缸就會產生摩擦、碰撞，使機組振動升高。

圖1 機組軸系布置圖

圖2 振動趨勢圖

（2）現場還發現該汽機排汽側軸封位置漏汽量較大，且左右兩側漏汽量不均勻，既排汽側軸封出現偏磨現象。這說明汽缸位置不但有垂直方向的變化，同時還有水平方向的變化，使排汽側軸封一側與轉子接觸產生磨損，造成漏汽量不均勻。

（3）從工藝條件來看，該汽機振動的波動與轉速及負荷變化無關，呈無規律態勢。又通過S8000遠程監測系統對其頻譜進行分析，發現該振動峰值主要成分為工頻振動。對比其軸心軌跡形狀，正常運行與軸振波動時相比變化較大，并伴有多次反進動，同時相位變化較大。以上現象比較符合由動靜摩擦引起振動的情況，同時可以排除轉子不平衡，油膜振蕩，聯軸器不對中等情況。軸心軌跡對比見圖3。

圖3 軸心軌跡對比圖

（4）汽輪機長期在頂缸狀態下運行，勢必引起內部汽封不均勻磨損，這時由于蒸汽在不同間隙位置處的泄漏量不均勻，使得作用在葉輪沿圓周向的切向力不相等，就會產生一定作用于葉輪中心的橫向力，也稱為間隙激振力，此力會促使轉子產生自激振動。另外，對于帶有圍帶的動葉汽封，蒸汽通過汽封的不均勻流動會形成不對稱的壓力分布，還會產生一附加的流體激振力。當外部條件（如蒸汽溫度、壓力）產生變化時，進汽流量相應隨之變化，同時會改變通過汽封的蒸汽量，打破之前的壓力分布，使轉子發生自激振動，引起振動升高。

綜上所述，分析該汽機振動大幅波動的原因是由于汽機在頂缸狀態下長時間運行，轉子與汽缸相對位置不正確，內部汽封局部磨損嚴重。由圖2可見，振值在突然升高前有一段小幅度爬升現象，此時應為蒸汽工藝條件發生變化時誘發轉子產生自激振動，進而又使轉子運行姿態失穩發生紊亂，產生動靜部件嚴重摩擦，使振動大幅波動觸發聯鎖跳車。

3 故障汽機拆檢情況

該故障機在公司大檢修期間進行了拆解大修，發現其前、后汽封均出現一定程度磨損（圖4），平衡活塞外圓留有嚴重摩擦痕跡（圖5、圖6），調節級葉頂密封卷邊（圖7），平衡活塞密封齒局部磨損嚴重等現象。而磨損大部分發生在汽機下部，充分證明其磨損是由于汽缸位置向上抬起的頂缸現象引起。

圖4 汽封磨損情況

圖5 平衡活塞外圓下部磨出的溝槽

圖6 平衡活塞上部的碰擦痕跡

4 檢修方案及實施

（1）消除頂缸現象。經分析，確定產生頂缸原因為主蒸汽管線受熱膨脹產生的熱應力將汽缸抬起。現場觀察后發現，主蒸汽管線彈簧支架位置不合理，致使管道應力不能被彈簧吸收而產生向上的作用力；管線布置形式不合理，速關閥雙路進汽端布置為F形，導致進汽量不均勻，容易使缸體發生水平方向位移。與設計院進行溝通后，出變更方案，將原管線的速關閥雙路進汽端改為T形布置，并消除管道應力。具體變更見圖8。

圖7 調節級葉頂密封卷邊

圖8 冰機蒸汽主管線改造前后圖

（2）消除汽機內部激振力。由于內部汽封磨損導致轉子與汽封間隙改變，因此汽機內部存在汽流激振現象。消除方法是更換磨損汽封、軸封，轉子返廠更換平衡活塞汽封齒并做高速動平衡（圖9）。

（3）更換前后徑向軸承。由于檢修前該故障機因生產需要，進行了頻繁的開停車操作，因此對其前后徑向軸承造成一定磨損。檢修后，為使機組可以更穩定地長周期運行，更換了故障機前后徑向軸承。

5 檢修后運行情況

故障機在檢修回裝后，汽封漏汽現象得到消除，前后貓爪墊片在機組完全熱膨脹后還有一定量間隙。單體及聯動試車正常，加負荷后連續運行3個月振動平穩（圖10）。

圖9 轉子平衡活塞密封全部更換

圖10 故障機檢修后的振動趨勢圖

6 結束語

小型背壓式汽機的固有特點導致其受影響因素較多，所以在安裝及運行過程中會因為很多原因導致其振動問題。當機組運行過程中出現振動過高的現象時，要根據現場實際情況和各種工藝參數進行初步判斷，再通過各種頻譜圖查找其故障特征，最后進行綜合分析找到引發振動問題的根源及實質，并通過檢修予以消除。

〔編輯 利文〕

TH17

B

10.16621/j.cnki.issn.1001-0599.2017.02.43