電廠汽機摩擦振動故障分析與診斷

徐軍鋒

（華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

蒸汽輪機中的靜態和動態摩擦是引起摩擦振動的常見原因，對汽輪機摩擦振動故障準確的診斷和檢查對于提高機器安全性能非常重要。目前，在診斷摩擦誤差時，主要根據振動，頻譜，波形或軸軌跡的變化來分析振動特性。本文結合320 MW發電機的摩擦振動特性，通過進行分析，以改善汽輪機在啟動過程中摩擦振動的性能，分析摩擦振動的特性找出發生故障的原因，提出了一種防止發生故障的方法，同時，為提升汽輪機的整體性能起著非常重要的作用[1]。

1 摩擦原因

動態和靜態摩擦問題通常會導致汽輪機其他部件失效問題，例如：導致轉子彎曲，它會加劇塊體振動的惡化，導致大軸完全彎曲或塊體破裂。導致摩擦振動故障的主要原因如下。

（1）轉軸振動過大。當旋轉軸的振幅超過振動動態和靜態偏差時，摩擦振動可能就會發生損壞。

（2）動靜間隙不足。設計空間值太小，安裝空間太小，或間隔調整不符合安裝和維護等要求，導致摩擦振動發生故障。

（3）缸體跑偏、彎曲和變形。如果上輥和下輥之間的溫差大并且預熱時間不足，則輥可能變形甚至彎曲變形，這也是造成摩擦振動發生故障的一個很大原因。

（4）轉子和軸承的不對稱。旋轉部件的變形和位移，轉子和軸承中心不對稱，在最外側導致整個轉子傾斜，如果發生下面情況可能會導致摩擦性故障在短時間內迅速增加：①摩擦誤差。②摩擦失效類型的故障：振幅連續變化，波動沒有明顯的規律。

2 振動特點及診斷分析

2.1 振動特點

發電廠的摩擦振動型號主要有N320-16.2 和540。汽輪機由軸，加熱器，3 個蒸汽缸和脈沖冷凝裝置組成。軸系統包括高壓轉子，壓力轉子，低壓轉子，發電機轉子，母轉子等軸承組成。高壓轉子和壓力轉子由3 個軸承和另一個轉子組成，這是中壓缸的啟動模式，即中壓缸的蒸汽缸。一旦蒸汽參數達到特定要求，來自高壓汽缸末級的蒸汽就會迅速加熱，就是所謂的高壓缸被加熱。

從2012 年3 月31 日開始進行第一次啟動，啟動過程，高壓缸倒暖電動門，4X 軸振達到138 μm 后，打閘停機。盤車6 h 第二次啟動，剛達1440 r/min 時，4X 軸振為102 μm，7 min 后4X 軸振動水平達到170 μm，5X 達到126 μm。在速度降至1250 r/min 時暖機4 h 后4X 軸振動保持在84 μm，速度在3000 r/min，5X 達到122 μm。固定速度4X 達到152 μm。該設備在4 月1 日上午9 點39 分連接到電網，在帶負荷過程中2W 軸，3W 軸，4W 軸和5W 軸振直接線加，特別是4W 軸，5W軸達到了220 μm，立即打閘停機。

2.2 機組及振動情況

電廠汽輪機型號535 和N135-13.24，發電機型號WX21Z-073LLT，上海汽輪機廠和山東濟南發動機廠制造。該裝置的軸系統包括高壓和中壓轉子、低壓轉子、發電機轉子和氣缸轉子。高壓，中壓轉子和低壓轉子是汽輪機的支撐部件，該系統結構于2010 年8 月20 日建立。當機器裝載開始時，軸承2 次和3 次摩擦振動超過標準現象，在汽輪機啟動過程中觀察摩擦振動的特性，然后根據設備的振動趨勢對振動數據進行進一步分析，假設不包括以下誤差：①裝置的振動特性評價，僅用裝置達到3000 r/min；②振動表現出快速恢復現象，2個軸承的X 軸振動從10 h 迅速變化到15 h。振動數據的幅度呈現出快速增長狀態，并且振動的幅度在短時間內顯著增加。根據上述振動特性，初步估計發生摩擦故障的原因。

2.3 診斷分析

基于上述振動特性，每個轉子的振動可以確定為靜摩擦和動摩擦。動態和靜態摩擦主要發生在調試或維修新機器以及維修之后。隨著速度和負載的增加，徑向間隙可以在明顯的振動后進行移動，從而減少磨損。在加熱期間，軸的振動逐漸增加。這是因為加熱凸緣和雙頭螺栓的溫度與氣缸溫度不匹配，從而導致高壓氣缸膨脹。

在啟動期間減小設備負載，可以提升轉動速度，蒸汽溫度上升更快并且氣缸更快膨脹。當高壓缸的差異膨脹超過1.7 mm或平均壓力的差異膨脹為正時，軸振動將會呈現2W 并且3W的增長趨勢，同時，汽輪機切割滾筒也會影響軸的振動。當切割圓筒工作時，蒸汽的溫度為420 ℃。此時，汽缸溫度為380 ℃，部分蒸汽溫度高于汽缸溫度，導致高壓轉子比氣缸收縮更快并且易于引起不適當的差異膨脹。在蒸汽密封的旋轉軸中，蒸汽的鏈輪和蒸汽的殼體之間的軸向間隙消失，并且發生移動進而停止摩擦。徑向摩擦軸具有耐磨性，當軸的摩擦力更大時，振動越厲害。

汽輪機于4 月1 日下午5 點50 分第三次啟動，軸振動速度為3000 r/min 定速時4X 軸振為141 μm，5X 為88 μm。隨著時間的推移，軸振動增加了2W，3W 和4W。在測試之后，每次產生波的振動略微減小。此時，4X 軸振為106 μm，之后就并網負荷，2W，3W，4W 和5W 的振動又開始爬升，4X 軸振達到152 μm，5X 達到142 μm，而且依然在上升，振動特性類似于第二次啟動的振動特性。經過6.5 h 的盤車后，機組在4月2 日上午6:40 進行第四次啟動，升速過程中1W，2W，3W和4W 的振動爬升比較快，1200 r/min 轉速下振動過大，其中2X 和3X 達到約240 μm 左右，且仍然在上升，于是立即打閘停機[2]。

3 支撐剛度降低引起振動過大原因

轉子系統包括油膜，軸承托架，底座，圓柱體，保護層等。決定轉子托架系統剛度的因素包括2 個主要方面：結構剛度，轉子的幾何形狀以及零件載體，轉子的尺寸大小和形狀都會影響到汽輪機的振動問題。由于在設計和制造階段難以確定結構的剛度，因此在實際條件下剛度的降低會引發摩擦振動故障，主要原因有：①螺栓的固定不穩定；②軸承座與臺板接觸不良；③膨脹不暢。

數據表明，輥振動主要基于振動，其幅度小，運行速度快，表明中間轉子的壓力較小，機械的運行效率更好。根據基頻的幅度增加和相位變化，假設第二和第三軸承的振動是動態和靜態摩擦振動，這種摩擦屬于可分離的早期碰撞。有兩個主要部分可以發生摩擦。

（1）旋轉軸和固體止油器之間發生摩擦。由于軸承箱的微小負壓，在齒和旋轉軸之間會有灰塵和污垢，清除污垢和灰塵，就相當于形成潤滑劑。在高溫的影響下，軸迅速轉動，軸越多，旋轉軸上產生的摩擦力和壓力輸出就越大，間歇性摩擦振動就會起作用。

（2）擦拭旋轉軸和蒸汽的分離。由于長時間使用該裝置后，氣缸的膨脹和變形會減少局部間隙。如果蒸汽參數稍微改變，旋轉軸將發生周期性地摩擦，振動主要發生在第二和第三軸承中，第二和第三軸承靠近高壓和中壓氣缸的高溫蒸汽入口，這就可以證明第（1）種積碳式油擋摩擦的可能性比較大。

4 檢修處理

在檢查過程中主要檢查軸承2 和3，觀察軸是否有污染和變形，確保軸承表面無損壞，如果有損壞立即維護并進行相應調整。如果軸承嚴重變形或變臟，也可以更換軸承，同時，氣缸前后軸在高壓和中壓下進行測量（特別是位于第二和第三軸承），中間氣缸兩側之間的間隙過大，對高壓和中壓氣缸膨脹狀況進行仔細檢測，經過檢測后發現，2 號軸承受到污漬和油漬的嚴重污染。經過分析，如果灰塵以及污染物在軸承上形成輕微的油漬，并在高溫下逐漸碳化，壓縮和卷曲，而這個過程時間短，油塊兩側刻度逐漸耗盡，逐漸塞油量增加，與轉子分離，第二和第三軸承的振動會造成間歇性振動摩擦。

5 結論

在汽輪機的初始啟動階段，會發生徑向摩擦并且有可能發生轉子的熱偏轉，裝置的振動速度和振動幅度主要是由于高壓缸的膨脹，中壓缸的膨脹以及轉子和缸軸連接之間的差異膨脹，發生靜態和動態軸向摩擦。動態和靜態摩擦不僅發生在啟動期間，在其他環節也會伴隨著動態和靜態摩擦，因此，就要對動態和靜態摩擦的位置進行分析，找出發生摩擦振動故障原因，并提出相應解決措施，對汽輪機發生摩擦振動故障的原因進行分析，在汽輪機的不斷發展和改進中，慢慢完善運行中遇到的各種問題，以提高設備運行效率，并提高操作安全系數，確保汽輪機穩定安全運行。