B6-3.3/0.6 型汽輪機轉子損壞修復方法及預防措施

李明，任建春

(云南云天化紅磷化工有限公司，云南 開遠 661699）

某公司一套80 萬噸/ 年硫酸裝置安裝了1 臺拖動用汽輪機，汽輪機型號B6-3.3/0.6，額定轉速度3950 轉/分鐘，額定功率6000kW，額定進汽溫度435℃，額定壓力3.3MPa，排汽壓力0.6MPa，汽輪機轉子臨界轉速2265 轉/分鐘。轉子采用整段式轉子，轉子重量2352kg.轉子材料30Cr2Ni4MoV。

2019 年6 月25 日這臺汽輪機出現故障停機檢修。從運行記錄看，當時汽輪機轉速從3950 轉/分鐘降至1000 轉/分鐘運行，大約運行3 小時后汽輪機前后軸瓦振動開始增加，最高升到0.5mm，操作人員及時拉閘停車。從振動增加到停機這個時間共24 分鐘，此后又沖轉了2 次，最后一次沖轉時在1400 轉/分鐘的低轉速下軸瓦振動已經達到0.23mm，由于汽輪機振動大而停機處理。

從當天的運行記錄看，本臺設備當天的開機投運過程都比較正常，在1400 轉/分這個轉速，汽輪機前后軸瓦振動都小于0.05mm，但出現事故后最后一次沖轉在這個轉速下振動大幅升高到0.23mm，伴隨著汽缸內部有明顯的磨擦聲。從測量到的頻譜圖看，工頻分量特別大，說明轉子產生了彎曲，導致轉子的不平衡質量發生了改變。停機后揭開汽輪機上汽缸檢查，轉子發生了嚴重磨擦，總共6 級葉輪在葉輪圍帶處大約30 角的弧度磨損十分嚴重，后軸瓦（油擋）磨損2mm,隔板（汽封）磨損1mm，后軸瓦（靠盤車處）軸磨擦嚴重局部已發藍。轉子最大彎曲0.71mm，從磨損部位的相位角看所有的磨損部位相位角都處于同一個角度上度，位于彎曲曲面的凹面，見圖1，圖2

圖1 轉子磨損部位

從檢測數據分析這根轉子已經發生了永久性的塑性變形，轉子的最大彎曲值技術要求為＜0.06mm，實際測量出的數值為0.71mm,已經超過近10 多倍。

圖2 葉輪磨損部位，位于葉片圍帶處

1 轉子損壞原因分析

正常情況下轉子受到的主要應力是傳遞扭矩產生的應力、離心力引起的應力、溫度不均勻引起的熱應力, 軸振動所產生的應力。在實際使用過程中溫度不均勻引起的熱應力比最為常見，對機組的影響比較大，即我們常說的轉子熱彎曲，轉子產生彎曲后會改變轉子的質量分布，造成轉子質量不平衡量增加，從而導致汽輪機振動增加，這是汽輪機振動異常的一個重要因數。特別是在中小型汽輪機上特別多，因為中小型汽輪機檢修和操作運行水平參差不齊，很容易導致動靜磨擦，造成轉子熱彎曲。運行中的轉子發生熱彎曲是由于發生了動靜磨擦而造成轉子不均勻發熱，使轉子產生較大熱應力而造成變形彎曲，轉子的熱變形及恢復過程如下圖所示。

先是發生局部磨擦產生熱膨脹，轉子彎曲（如圖3 所示），發熱部位金屬的熱膨脹由于受到周圍溫度低的金屬的約束限制，產生一個壓應力，如果這個壓應力低于金屬的屈服極限，這個時候受熱部位產生的是彈性變形，當發熱部位溫度恢復正常后轉子又會恢復到原來的狀態（如圖4 所示），如果壓應力超過金屬的屈服極限，就會使該處的金屬產生塑性壓縮而不是彈性變形，當這個部位的溫度恢復正常后，過熱部位收縮后的體積就小于原來的體積，這個收縮部位的金屬就會拉扯周圍的金屬，產生一個拉應力，使轉子產生反向彎曲（如圖5 所示），這就是為什么這根轉子磨擦部位處在彎曲的凹面的原因。

圖3 發熱膨脹彎曲

圖4 熱應力小于屈服極限

圖5 熱應力大于屈服極限

造成動靜磨擦的原因主要有2 個：第一是由于汽缸內部間隙調整未達到設計要求而造成的，第二是汽缸溫度變化大，導致汽缸產生較大熱應力而變形導致汽缸內動靜間隙改變而造成的。從運行記錄分析，事故發生在汽輪機將轉速降到1000 轉/分鐘運行3 小時后發生的，由于此時設備的連鎖保護被人為解除，造成振動達到連鎖保護值時設備沒有跳停，在振動較高的情況下汽輪機運行了24 分鐘，使轉子在較長時間強烈的磨擦下產生高溫而發生塑性彎曲變形。

拖動式汽輪機降轉速就是一個大幅減負荷的過程，這個時候汽輪機的調節閥是逐步關閉的過程，轉速減到1000 轉/分時調節閥開度很小，進汽量也相應很少。雖然進汽蒸汽參數沒有發生變化，但其實進入汽輪機的蒸汽是在調節閥處經過了一個等焓絕熱膨脹的節流過程，如圖6 所示。

圖6 節流閥示意圖

節流后的蒸汽雖然熱能沒有改變，但溫度、壓力已經大幅降低，蒸汽再經過前面幾級動葉做功后到后面幾級葉輪時候蒸汽參數會將到很低，甚至會進入到濕蒸汽區使下汽缸積水，在這種情況下會造成上下汽缸溫差緩慢增加。長期的運行觀察，我們經常會觀察到在極低負荷或低轉速下，隨著時間延長，汽缸的上下缸溫差都會緩慢增加，上缸溫度會比下缸溫度高，上缸的膨脹量比下缸膨脹量大，造成汽缸向下彎曲，即所謂的“貓拱背”。如果抽氣器工作不正常，抽力小，還能觀察到凝結水從前后軸汽封里面甩出。當彎曲到一定程度時，汽缸內動靜間隙消失，發生磨擦，轉子發生熱彎曲，這就是為什么在1000 轉/分鐘運行近3 小時后振動會不斷增加的原因。

發生磨擦的部位是汽封體與轉子磨擦，在汽輪機設計上汽輪機的汽封塊都是可活動的，活動間隙2mm 左右。汽封塊背面安裝有彈簧或彈簧片，如果發生轉子與汽封塊碰撞磨擦，因為汽封塊還有2mm 的間隙，所以磨擦力就是彈簧變形的彈力。這個彈力不大，由于磨擦產生的熱量與磨擦力成正比，所以產生的熱量不會太大。而且轉子在蒸汽的沖刷冷卻作用下，這種磨擦不會導致溫升過高，轉子的熱變形比較小，不會對機組運行產生嚴重影響，這個與大量機組檢修后的動靜磨擦經常發生但機組運行正常的實際情況相符。如果安裝、檢修過程中汽缸里面的間隙調整嚴重不合格，在上述情況下就會造成汽封塊的活動間隙消失，產生硬碰硬磨擦，這種磨擦力很大，會造成轉子磨擦部位溫度過高，發生較大彎曲。這種彎曲反過來產生較大振動，使磨擦更加強烈，形成惡性循環，產生嚴重后果。由于本臺機組磨擦嚴重，汽缸里面間隙增加較大無法準確判斷間隙情況，但從盤車齒輪附近軸上由于嚴重磨擦而發藍的現象看，這根轉子彎曲得比較厲害。因為這個地方的間隙最小有2mm 多，由于汽輪機剛大修不久，發生如此嚴重磨擦說明汽缸內有些間隙在檢修時調整的過小。現場檢查到下隔板與汽缸間隙過小，技術要求2～2.5mm，實際測量，全部未到達要求，最小的一級隔板只有0.87mm,其它的已經磨損出較大的間隙無法判斷。

2 轉子修復辦法

這臺汽輪機轉子是一根整段式轉子，結構復雜，彎曲較大，如果采用常規的冷校或熱校，要把長3896mm 的轉子最大彎曲值校直到0.06mm 以內，目前這兩種校正工藝無法確保成功，難度和風險極大。而且這兩種校正方法有一個缺點，就是校正后很難把應力消除掉。由于汽輪機轉子是在高溫且溫度變化大的環境下運行，轉子材料里面含有一種很活躍的金屬元素Ni，殘存的應力會不會使轉子又發生彎曲，存在很大不確定性。目前最可行的方法是車削法，這種方法是在精度高的機床上先找出轉子的高點，確定出各個部位需要車削的量，然后將轉子各個高出的部位車削掉，使轉子變直，車削完后在高速平衡機校正平衡，轉子便可恢復使用。從測量出的數據看，車削量在0.7mm 以內，轉子也還有加工余量，這種方法唯一的一個不確定的影響因素就是前面提到的轉子目前存在一個拉應力，由于轉子材料里面含有一種很活躍的金屬元素Ni，這個應力的變化容易造成轉子彎曲度發生變化。為了檢查轉子彎曲度是否會變化，特地將轉子放在低速平衡機上慢速長時間轉動，然后又將轉子拱背朝上放置了10 多個小時，用百分表檢查轉子的彎曲度并無變化，說明轉子的變形基本是穩定的。運到制造廠檢測，轉子的彎曲度并沒有發生變化，可以肯定這根轉子彎曲度不會再發生變化。于是上數控機床進行加工處理，在加工過程中發現后軸瓦軸徑這個地方如果要車直，軸徑處的直徑要車削0.045mm。原來的軸瓦就不能使用，由于這種軸瓦是德國進口的軸瓦，采購周期大概3 個月，這將對生產造成嚴重影響。如果這個地方不處理，整根轉子在后軸瓦處產生0.02mm 的偏心。從影響來講，除對機組的振動會有一定的影響外，無其他影響。經估算由此造成的振動增加大概在0.03mm 左右，考慮到生產的實際情況，最后決定這個地方不進行處理。加工結束后按制造廠的技術要求對整根轉子進行了4120 轉/分鐘高速動平衡。轉子修復結束，開始進行復裝，由于轉子的軸已經加工變細，因此原來的汽封塊就與轉子已經不配套，需要在復裝現場對汽封塊進行處理，見圖7。

圖7 汽封塊打磨處理方法

通過對6 個結合面打磨處理，減小內徑R 值來調整汽封塊上汽封片與轉子軸上汽封片之間的間隙，將這個間隙調整到技術要求范圍內。在復裝的過程中還對隔板與汽缸的間隙進行了調整，使這個間隙達到了技術要求值。

3 汽輪機開車及運行情況

2019 年7 月17 日機組復裝結束后，開機運行。過臨界軸振動最大為0.254mm,轉速升到額定轉速3950 轉/分鐘帶滿負荷后機組振動較好，運行平穩。運行參數見表1。

4 預防措施

(1)裝置停車時，汽輪機同步停車盤車。

(2)汽輪機嚴禁在低轉速下長時間運行，目的是防止汽缸變形造成動靜摩擦。特別是設備在檢修過程中一些重要間隙未能調整不好的情況下往往會造成嚴重動靜摩擦。

(3)汽輪機過臨界轉速振動值超過0.26mm 或軸承箱體振動超過0.05mm 時立即停車，停車期間投入盤車，再次沖轉時盤車過程中的前后瓦振動值不能超過設備正常時盤車過程中的振動值。

表1 汽輪機運行振動記錄表

(4)開車過車中監控好上下缸溫差，溫差不超過50℃，如果超過，應該停車，待溫差在50℃內，最好30℃內再沖轉，沖轉過程中控制好升速曲線，低速下勿停留過長。

(5)在汽輪機正常運行情況下，振動值大于連鎖保護或軸承箱體振動超過0.05mm 時立即停機檢查。

(6)汽輪機在開車和運行過程中聯鎖正常投入,嚴禁無聯鎖保護開車和運行。

5 結語

(1)汽輪機作為工廠的關鍵設備，嚴格執行操作規程及維護檢修規程是防止設備損壞的重要手段。

(2)設備投入運行后經過了2 個多月運行觀察，期間開停機兩次，振動無變化，機組運行平穩，轉子修復達到了使用要求，本修理方法是可行的。