汽輪機軸振動原因分析

張 威

(中原大化有限責任公司，河南濮陽 457000)

振動是機械設備的一種運動形式，是指機械設備在平衡位置上每隔一定時間作微小的有規則或無規則的反復運動，具有周期性。汽輪機在高速旋轉中總是存在不同程度的振動。

1 振動原因與危害

1.1 透平軸振動引起的原因

引起透平軸振動的原因有：①測試系統發生故障(如探頭松動、接線斷裂)；②啟動前暖機不充分，導致膨脹不均；③裝置對中超標；④熱膨脹使管路各動量超標；⑤從動機振動傳遞；⑥軸承、聯軸節、內部零件損壞；⑦葉片斷裂導致不平衡；⑧蒸汽壓力、溫度等的變化；⑨負荷、真空等的變化[1-3]。

1.2 振動的危害

振動產生的危害有：①機組部件連接松動，底料螺栓斷裂；②機座(地板)二次灌體松動，基礎產生裂縫；③汽輪機葉片應力過高，疲勞折斷；④危機保安裝置發生誤動作；⑤通汽部件發生磨損，嚴重時可引起主軸彎曲；⑥滑銷磨損、中心變動，嚴重時還會影響機組正常膨脹，導致靜體碰擦；⑦軸承合金層破裂，緊固螺釘松脫、斷裂；⑧被驅動機械損壞等[4-5]。透平振動過大時，會嚴重影響機組安全運行。

2 案例分析

2.1 透平振動波動分析

2016年2月以來，中原大化有限責任公司(以下簡稱中原大化)空壓機組透平前軸承振值出現大幅度波動，最高振值已接近聯鎖，成為裝置運行的重大隱患，機組隨時可能發生跳車。透平振值波動示意見圖1。

通過對近年來透平運行參數的對比研究，并對透平運行狀況進行多次精密點檢、評估，認為是轉子不平衡造成的。結合分析結果得出，在目前情況下提高高壓蒸汽品質、穩定蒸汽管網為主要有效措施。在各單位的配合下，操作人員認真巡檢、精心操作，既保證對設備不造成損壞，又保證了裝置高負荷運行。

從趨勢圖上標定區域看，高壓蒸汽壓力是振值波動的一個重要干擾因素，當維持高壓蒸汽壓力不低于9.2 MPa時，可基本遏制透平大幅振動。

2.2 主蒸汽壓力對機組的影響

當主蒸汽溫度和凝汽器真空不變而主蒸汽壓力升高時，蒸汽在汽輪機內的焓降增大，末級排氣濕度增加；主蒸汽壓力升高時，即使調節氣閥總開度不變，主蒸汽流量也將增加，機組負荷將增大，對經濟運行有利。

危害：①末級葉片可能超負荷；②主蒸汽溫度不變、蒸汽壓力升高，將使末級蒸汽溫度增大，末級動葉水滴沖蝕嚴重；③承壓部件和緊固部件內應力會加大。

由于單方面提高蒸汽壓力會造成危害，所以蒸汽壓力超過允許變化范圍時，不能在此壓力下再繼續運行。

2.3 透平結垢處理

2016年6月機組檢修時拆開透平，發現轉子結垢非常嚴重，轉子結垢和氣封損壞。結合精密點檢綜合判斷為轉子不平衡，抗干擾能力下降，級間汽封有損壞。轉子返廠維修，結垢處進行噴砂處理。檢修后各項運行參數得到明顯改善，特別是影響裝置穩定運行的重大隱患空壓機組透平大幅波動問題得到解決，目前透平振值穩定。

2.4 汽輪機轉子結垢的原因分析

汽輪機轉子結垢主要是因為蒸汽帶鹽超標所致，高溫蒸汽溶解的鹽在汽輪機內由于蒸汽逐級做功，主蒸汽壓力、溫度不斷下降，則析出沉積于汽輪機的通流部分，造成汽輪機轉子積鹽或積垢。蒸汽中含有的雜質將會使汽輪機通流部分被沖蝕、積垢和腐蝕，使汽輪機通流性能惡化，造成熱效率降低和機械損傷，直接影響汽輪機的壽命。引起汽輪機轉子結垢的原因有很多，但鍋爐給水作為源頭尤為重要。鍋爐給水指標有懸浮物、溶解固形物、總硬度、總堿度、相對堿度、含油量、溶解氧、pH、磷酸根等。鍋爐壓力大于3.82 MPa時的給水水質要求見表1。

表1 鍋爐壓力大于3.82 MPa時的給水水質要求

從水質標準可知，鍋爐水處理的任務是：①進入鍋爐前的給水，盡可能降低其中的懸浮物、總硬度、含油量和溶解氧等。②鍋爐中的鍋爐水應盡量降低溶解固形物并保持一定的堿度，以便使水中的殘余硬度經過不斷的蒸發濃縮后形成水垢沉淀下來，然后在鍋爐排污時除掉。

2.5 空壓機透平轉子結垢物分析

對空壓機透平轉子結垢物進行分析，其成分如下(質量分數)：NaCl 67.93%，Na2SO49.31%，酸不溶物9.18%，CaO 1.59%，MgO 1.53%，Fe2O31.21%，Al2O30.60%。透平結垢物中鹽類含量最多，是因為蒸汽品質不良、鍋爐給水含有雜質所致；另外，透平正常運行中凝汽器銅管泄漏，未能及時查漏堵漏，造成循環水直接進入到凝結水，使凝結水中含鹽量升高。在透平正常運行中，凝汽器的主要作用一方面是使將汽輪機末端做過功的蒸汽在凝汽器內被循環水冷卻變成冷凝液，在熱井里積聚，最后被冷凝液泵外送給用戶；另一方面是使凝汽器排氣端保持負壓。凝汽器銅管泄漏造成凝結水含鹽量高，然后通過冷凝液泵輸送給鍋爐作為供給水生產蒸汽，加劇了透平轉子結垢，破壞了轉子的動平衡，進而引起了轉子的軸端振動，造成大幅波動。

3 查找振動原因的幾種方法

(1) 轉速試驗

判斷振動和轉子質量不平衡的關系，同時發現轉子臨界轉速和工作轉速的接近程度。

(2) 負荷試驗

判斷振動與機組中心熱膨脹與轉子質量不平衡的關系，以及傳遞力矩的部件(聯軸器、變速齒輪)是否有缺陷。

(3) 軸承潤滑油膜試驗

判斷振動是否由油膜不穩定、油膜被破壞或軸瓦緊力不當所引起。

(4) 勵磁電流試驗

判斷振動是否為電氣方面的原因所引起，以及由電氣方面的哪些因素引起。

4 結語

引起透平振動的原因很多，要準確地進行判斷并找出原因，需結合發生振動的現象以及工藝參數變化情況綜合分析，對癥下藥，全方位診斷，方能藥到病除。

參考文獻

[1] 王仲奇，秦仁.透平機械原理[M].北京：機械工業出版社，1988.

[2] 陳巖.淺析汽輪機振動的原因[J].化工管理，2016(3)：19- 19.

[3] 席偉明.汽輪機振動分析與診斷技術[J].現代制造技術與裝備，2016(3)：117- 119.

[4] 李新，劉全義，關小彪，等.空氣壓縮機汽輪機異常軸振動原因分析與處理[J].化肥工業，2011，38(5)：51- 52.

[5] 尚陽鋒.蒸汽輪機異常振動的原因分析和處理措施[J].化肥設計，2004，42(2)：54- 55.