汽輪機異常軸振動的分析與處理

吳野(神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831404)

汽輪機在化工廠應用較普遍，主要用于驅動離心式壓縮機，也有用于驅動離心泵、小型轉動設備。汽輪機是化工廠的重要設備，汽輪機故障會直接影響生產裝置的安全、穩定運行。

而汽輪機的軸振動是汽輪機能否安全、穩定運行的重要指標，軸振動異常是汽輪機出現機械故障的一種最直接的表現形式，機組運行的安全性、穩定性很大程度上是由汽輪機軸振動的狀態來決定的。如若汽輪機軸振動過大可能會引起密封損壞、動靜部分摩擦等一系列的汽輪機本體故障，還有可能會引發裝置停產事故，造成經濟損失。汽輪機軸振動異常的原因較復雜，汽輪機軸振動異常可能是多個原因綜合作用的結果，這就需要我們按照汽輪機的運行情況進行分析，排查可能因素，確定維修方案，對其及時做出處理，避免汽輪機發生重大事故，保障機組安全、穩定運行。壓縮機組軸系圖見圖1。

1 汽輪機情況簡介

某廠的汽輪機為NK50/56型凝汽式汽輪機，屬積木塊式工業汽輪機。汽輪機汽缸按積木塊原理分為前區段(新蒸汽進汽部分)、中間段(葉柵部分)和后區段(排氣部分)，汽輪機本體由前汽缸和排汽缸組成，二者通過垂直中分面相連接，整個汽缸為水平中分結構，上下缸用法蘭面和螺栓連接，該汽輪機用于驅動一臺離心式壓縮機。汽輪機使用本特利3300監控系統，檢測軸振動、軸位移。汽輪機聯端、非聯端各有兩個電渦流式位移傳感器呈90°夾角，V型安裝在主軸上方，直接測量軸振動數值。該汽輪機主要技術參數如下：

額定功率/k w額定轉速/r·m i n跳閘轉速/r·m i n進汽壓力/M P a(G)進汽溫度/℃排汽壓力/M P a(A)耗汽量/k g·h第一臨界轉速/r·m i n最大連續轉速/r·m i n 2 3 2 8 7 7 2 5 1 8 4 8 1 4.1 4 2 0 0.0 2 5 1 0 2.6 2 3 2 8 7 7 3 5

2 汽輪機故障現象

該汽輪機于2016年6月正式投入運行。正常運行時，汽輪機聯端、非聯端軸振動值都在20μm左右，機組運行狀態良好。隨著運行時間的增加，2017年9月，該汽輪機聯端軸振動監測B通道出現軸振動值異常情況，當汽輪機轉速超過6700rpm/min時汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值快速上漲，6800rpm/min時已達到50.98μm，該汽輪機軸振動高報警值為50μm，汽輪機軸振動聯鎖停機值為75μm，而聯端軸振動監測A通道振動值顯示31.82μm，非聯端軸振動監測A/B雙通道振動值均有輕微變化，但變化量不大，始終在23μm左右，汽輪機所驅動的離心式壓縮機高、低壓端軸振動未隨汽輪機聯端軸振動監測B通道振動數值的變化而變化。當轉速降至6650rpm/min時，汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值降至33μm，汽輪機聯端軸振動監測B通道的振動值隨汽輪機轉速波動較大，而汽輪機聯端軸振動監測A通道振動值波動較小。汽輪機的額定轉速為7251rpm/min，在6800rpm/min時汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值就已經達到高報警值，如此異常的軸振動如果不及時查清原因，會對汽輪機的安全運行造成隱患，輕則造成機組不能正常運行，重則會使機組發生安全事故。

圖1 壓縮機組軸系圖

圖2 汽輪機聯端軸振動值趨勢圖

3 汽輪機聯端軸振動異常檢查處理過程

(1)通過調看生產裝置壓縮機組CCS監控系統的歷史趨勢，并將汽輪機軸振動、與汽輪機主蒸汽流量、壓力、溫度等放在同一時間坐標的趨勢圖上查看(圖2)，在振動異常時汽輪機主蒸汽壓力、溫度和汽輪機的排氣壓力、溫度趨勢平穩，無波動。壓縮機進、出口壓力、溫度和流量也都在正常工況下運行，無大幅度波動，說明汽輪機聯端軸振動監測B通道的異常振動與壓縮機組運行條件發生變化無關。

(2)因傳感器失靈而導致的壓縮機組故障是特別常見的，所以檢查汽輪機本特利3300軸振動監控系統是否發生誤報警情況，檢查接線牢固，卡件無故障。檢查電渦流傳感器電壓-9.18V，在正常工作范圍內，對電渦流式位移傳感器來說，所測得的位移與輸出的電壓始終為線性關系，本特利探頭的線性特性為200mV/mil，換算成公制為7.87V/mm，正常運行時汽輪機聯端軸振動監測B通道電渦流傳感器間隙電壓為-9.23V，30.63μm振動值，汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值異常時電渦流傳感器間隙電壓為-9.18V，50.98μm振動值，電渦流傳感器電壓變化小，但振動值卻很大，因此判斷電渦流傳感器無故障，振動值可信，如圖3所示。

圖3 汽輪機聯端軸振動監測B通道GAP電壓趨勢圖

(3)通過調看生產裝置壓縮機組CCS監控系統中的軸振動歷史趨勢，見圖4，發現當汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值上升時，聯端軸振動監測A通道的軸振動值同時在增大，汽輪機非聯端雙通道軸振動值也在上升，但是變化較小，此現象說明，同一時刻汽輪機聯端、非聯端軸振動值同時發生變化，所以汽輪機聯端軸振動監測B通道軸振動異常是真實存在的。

(4)通過現場觀察發現汽輪機前軸承座與汽缸之間拉桿螺栓未點焊，鎖緊螺母松動，前軸承座發生偏移現象，且汽輪機前端膨脹指示器不動作。

(5)根據大型旋轉機械在線狀態監測及分析系統上的振動信號頻譜圖(圖6)顯示，汽輪機聯端軸振動監測B通道軸振動的諧波能量主要是集中在轉子的工作頻率(一倍頻)上，基頻振動成分所占的比例很大，而其它倍頻成分所占的比例相對較小，振動值隨汽輪機轉速變化較明顯，工作轉速穩定時振動相位穩定，原始波形形狀接近于正玄波形，軸心軌跡為橢圓，軸心軌跡存在反進動現象，且對應波形頻譜圖中還存在削波現象。見圖5。

圖4 汽輪機聯端、非聯端軸振動趨勢圖

圖5 汽輪機軸心軌跡圖

圖6 汽輪機聯端軸振動監測B通道振動波形頻譜圖

(6)通過以上幾點判斷汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值為真，汽輪機聯端軸振動出現異常，但情況不是十分嚴重，因為此壓縮機組是該生產裝置的核心設備，汽輪機停機檢修相當于裝置停產，會造成巨大損失，因此可以在控制汽輪機轉速在6650rpm/min以下監控壓縮機組運行，直至計劃停機檢修，可以減少經濟損失。

4 汽輪機聯端軸振動異常的原因分析及處理

4.1 汽輪機聯端軸振動異常的原因分析

汽輪機軸振動異常的原因是多方面的，也是比較復雜的，例如安裝及檢修質量不良、管道振動帶動機組振動、軸承承載能力及油膜問題等等，但就上述檢查情況看，汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值異常可能有如下原因：

(1)汽輪機前軸承座與汽缸拉桿螺栓未點焊(見圖7)，鎖緊螺母松動，致使前軸承座發生偏移現象，且汽輪機前端膨脹指示器不動作，汽缸導向裝置偏移，卡澀，汽輪機運行時熱膨脹受阻致使汽輪機轉子與前軸承座、汽缸對中不良，以此判斷為轉子與汽缸、軸承座的同心度被破壞而引起振動。

圖7 拉桿螺栓未點焊

(2)汽輪機轉子與壓縮機轉子冷態對中符合要求，運行時中心產生偏移。因汽輪機的排汽冷凝器故障致使汽輪機排汽壓力高于正常值運行，汽輪機的排氣壓力正常值為20KPa(A)，排汽凝汽器故障時汽輪機排汽壓力高至80KPa(A)，且汽輪機的排氣溫度隨排汽壓力的升高而升高。運行時排汽接管受熱膨脹使汽輪機后軸承中心抬高，因轉子與汽缸、軸承座的同心度差，繼而引起汽輪機軸振動值升高。

(3)根據大型旋轉機械在線狀態監測及分析系統上的振動信號頻譜圖顯示，初步判斷汽輪機存在動不平衡及輕微摩擦現象。

4.2 汽輪機聯端軸振動異常的檢查、處理

針對汽輪機聯端軸振動異常的情況，2018年8月對汽輪機進行了大修處理，檢查處理結果如下：

(1)檢查發現汽輪機轉子兩側定位值均發生變化，按汽輪機安裝技術要求，汽輪機轉子兩側定位數值應為151.9mm，實測汽輪機轉子南側定位數值為152.14mm，汽輪機轉子北側定位數值為152.36mm，詳情如表1所示：

表1 汽輪機轉子定位值對比

分析原因主要是拉桿螺栓未點焊，導致螺母松動，軸承座偏移，轉子未能準確定位。轉子南北兩側相差0.22mm，汽輪機前軸承座偏移0.22mm，轉子中心發生變化，引起汽輪機軸振動異常。后經調整汽輪機前軸承座與汽缸的拉桿螺栓，調整轉子兩側定位值為151.8mm，并將拉桿螺栓點焊防松，如圖8所示。

圖8 拉桿螺栓點焊防松

(2)檢查汽輪機平衡活塞汽封處有摩擦，密封齒損壞，如圖9所示。分析原因為汽輪機轉子偏心，造成平衡活塞汽封處輕微摩擦，返廠維修更換密封齒。

圖9 汽輪機平衡活塞汽封密封齒損壞

(3)汽輪機轉子返廠做高速動平衡

轉子跳動檢查情況良好，前、后軸徑電跳量均為0.008mm，軸徑未磨損，轉子高速動平衡不合格，在出汽端R=290mm、∠220°處增加30g，進汽端R=230mm、∠50°增加16g 后，轉子高速動平衡合格。

汽輪機檢修完成后運行壓縮機組，汽輪機轉速最高升至6900rpm/min，汽輪機聯端軸振動監測B通道振動值正常，最大振值24μm，檢修效果良好，運行至今再未發生過汽輪機聯端軸振動異常情況。

5 結語

汽輪機軸振動的大小，是評價一臺汽輪機運行安全、可靠的重要指標，對于汽輪機來說微小的振動必不可免，只要振動幅度不超過技術要求所規定的數值就屬于正常振動。但也難免會出現一些異常振動。汽輪機異常振動產生的原因相對較復雜，要從多方面考慮。因此，針對汽輪機異常振動的分析顯得尤為重要。汽輪機在化工廠屬于核心設備，減少汽輪機的故障率對化工廠的安全、穩定運行有著深遠的意義。