汽輪機主油泵斷軸事故原因分析及處理

樓華棟，呂玥婷，戴仕方

（華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400）

汽輪機主油泵普遍應用在300 MW及以下等級的汽輪機機組，用于供給汽輪機組的軸承潤滑油和調速系統(tǒng)用油。某天然氣熱電聯(lián)產電廠135 MW汽輪機組于2015年底投產運行，該機組配備了汽輪機主油泵。因該機組為調峰機組，啟停頻繁，對設備的可靠性提出了更高的要求。主油泵做為重要設備，其是否能正常運行直接關系到汽輪機運行的安全性和可靠性，因此，解決和防范主油泵斷軸問題非常重要。

圖1 主油泵結構

1 主油泵的作用與結構

主油泵是汽輪機的重要附屬部件之一，安裝在機組前箱內部，在汽輪機全速時，為機組提供全部的潤滑油和保安油。在汽輪機啟、停機過程中，機組潤滑油和保安油則由輔助交流潤滑油泵和高壓啟動油泵提供。使用主油泵既能節(jié)省廠用電，也能防止因交流潤滑泵斷電而產生斷油燒瓦的風險。

該汽輪機主油泵結構如圖1所示。

2 2次斷軸的現(xiàn)象與過程

該發(fā)電廠2016年曾2次在機組帶負荷運行期間發(fā)生主油泵泵軸斷裂，導致汽輪機組非停事件。

第一次事件發(fā)生在7月4日10:26:05，機組帶117 MW負荷運行時，ETS（汽輪機跳閘保護系統(tǒng)）動作，首出“DEH（汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)）跳機”。檢查主油泵出口油壓歷史曲線，在0.5 s內出口油壓從正常運行時的 1.85 MPa突降至 0.25 MPa，主油泵入口壓力降至0.086 7 MPa，潤滑油母管壓力降至0.011 9 MPa，隨后交流潤滑油泵和直流潤滑油泵均啟動。10:26:11，潤滑油壓恢復，潤滑油母管壓力為0.126 MPa，主油泵進口油壓0.23 MPa。檢查汽輪機軸系瓦溫、振動均在正常范圍內。通過前箱位置的觀察孔檢查盤車狀態(tài)下主油泵自由端的泵軸轉動情況，判斷主油泵泵軸已斷裂。當機組具備條件后，打開前箱和主油泵進行檢查，確認泵軸斷裂，斷裂位置為圖1中的8所示位置，主油泵的浮動軸瓦存在磨損情況。

第二次事件發(fā)生在9月22日10:43:23，機組帶59 MW負荷運行時，ETS動作，首出“DEH跳機”，現(xiàn)象和動作情況與第一次相同。

在發(fā)生第一次斷軸后，汽輪機廠家和發(fā)電廠的相關技術人員對斷軸原因進行分析，判定斷軸原因是：主油泵泵軸存在熱處理或軸中心找正不到位等缺陷，屬偶發(fā)性事件。于是采取更換同型號新泵軸的處理方式，在汽輪機完成注油、機械超速等相關試驗后投入正常使用。然而，馬上發(fā)生第二次斷裂，且從運行數(shù)據(jù)顯示，第一根泵軸運行時間將近1 200 h，第二根泵軸運行時間不到450 h，接連發(fā)生2次汽輪機主油泵斷軸，不能定性為偶發(fā)性事件，同時在第二次斷軸后的檢查過程中發(fā)現(xiàn)，前箱一側前壓板的螺栓松動，底板座螺孔牙紋拉裂脫落。

3 原因分析

3.1 材質分析

該汽輪機主油泵軸材質采用40CrA合金鋼，對2根斷裂的主油泵軸的化學成分、機械性能以及金相進行檢查和分析。檢測結果表明：化學成分符合GB/T 3077－1999標準；機械性能的檢測結果基本符合NB 2074《經(jīng)調質的一般鍛件和型鋼制件技術條件（南汽）》的要求（見表1），其中金屬機械性能塑性延伸強度（Rp0.2）偏低；斷面金相見圖2，顯示為珠光體＋鐵素體，判斷泵軸熱處理效果偏差。由此認為：主油泵泵軸熱處理效果差導致了Rp0.2等機械性能指標低于或接近標準值。

從2次斷軸的斷口（見圖2）觀察斷裂源，有較多臺階，判斷為多源斷裂，該處為泵軸外徑變化的應力集中位置；擴展區(qū)占整個斷面較大部分區(qū)域，且存在貝紋線；瞬斷區(qū)位于一側斷口邊緣，偏離斷面中心位置，說明泵軸在斷裂時受力不均。因此排除2次斷軸處存在沙眼、缺口等缺陷，判斷為疲勞斷裂。

表1 機械性能（40CrA）檢測結果

圖2 斷裂面和斷面金相

3.2 安裝與結構方面分析

泵軸在安裝過程中，與油封環(huán)、浮動軸瓦之間的間隙以及短軸晃度，包括主油泵安裝的所有參數(shù)均符合安裝設計要求。在汽輪機啟動運行期間，對前箱前端位置的各方向位移量進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)前箱前端存在5 mm的上抬，大于浮動軸瓦自調節(jié)能力3 mm的范圍。從前箱右側前壓板底板座螺孔牙紋脫落可以發(fā)現(xiàn)上抬作用力非常大。從前箱的布置（見圖3）可以看出前箱有2處與高壓缸連接，分別為位于高壓缸下缸中分面位置的貓爪和位于前箱底部位置的拉回裝置，這將導致在高壓缸向前和向下膨脹不均時對前箱產生上抬的作用力。基于以上考慮，將圖3中位置2的貓爪橫銷前后插板撤除，釋放貓爪對前箱推拉力。在機組滿負荷時測量前箱的上抬幅度為0.53 mm，此上抬量在浮動軸瓦自調節(jié)能力范圍之內。因此判斷前箱的上抬導致超出浮動軸瓦的浮動能力范圍，使泵軸受力，這是發(fā)生泵軸斷裂的主要原因。

圖3 前箱布置

根據(jù)圖4所示進行架表測量，在貓爪橫銷插板撤除前后的不同狀態(tài)下，測得的前箱上抬量和機組絕對膨脹數(shù)據(jù)見表2。

圖4 架表位置示意

表2 前箱上抬量數(shù)據(jù)

從泵軸斷裂處分析，斷裂位置均在該軸葉輪安裝位置的 Φ104－Φ86變徑處，此處 R角為R0.4，根據(jù)有限元分析結果， 此處應力為 40 MPa，是應力集中的薄弱部位。因此判斷應力集中也是此處產生斷裂的誘因之一。

4 處理與防范措施

針對2次斷軸情況，對主油泵及相關設備做以下處理：

（1）調整前箱與高壓缸連接的拉回裝置和貓爪的相互配合，將貓爪橫銷處的前后插板撤除，消除前箱上抬。

（2）將泵軸 Φ104－Φ86變徑處 R 角從 R0.4提高到R2.5，提高設計安全裕度，盡可能防止變徑處的應力集中現(xiàn)象。

（3）提升主油泵的泵軸材質，將原先的40CrA鋼更換為30Cr2Ni4MoV鋼。30Cr2Ni4MoV鋼廣泛應用于汽輪機低壓轉子，其綜合機械性能好，具有良好的沖擊韌性和和較低的韌脆性轉變溫度，較40CrA鋼具有更好的機械性能，其技術規(guī)范數(shù)據(jù)見表3。

表3 機械性能（30Cr2Ni4MoV）

（4）在浮動軸瓦座位置安裝溫度探頭，監(jiān)測浮動軸瓦運行狀態(tài)；在前箱頭部安裝上下位移傳感器，監(jiān)測前箱的上抬情況，對浮動軸瓦磨損情況進行檢查監(jiān)控。

經(jīng)過機組一年多時間的運行過程中對浮動軸瓦的監(jiān)測，確認主油泵浮動軸瓦和泵軸狀態(tài)良好，主油泵運行正常，問題得到了有效控制。

5 結語

通過以上分析得出，2個主油泵泵軸斷裂的直接原因為前箱的上抬超出了泵軸本身的自調節(jié)能力范圍，加上40CrA材質的泵軸熱處理工藝不理想使延伸強度（Rp0.2）等機械性能偏低，從而使泵軸受力后在應力集中的變徑處產生疲勞斷裂，同時機組的頻繁啟停也加速了斷軸的發(fā)生。

汽輪機主油泵運行的可靠性直接影響機組的安全，對主油泵安裝及相關部件的設計、制造和安裝都應慎重考慮和嚴格把關。針對參與電網(wǎng)調峰的燃汽輪機的運行常態(tài)，設備制造廠須充分考慮和防范機組頻繁啟停機對設備運行安全帶來的不利影響。