汽輪機(jī)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)

0 引言

汽輪機(jī)在化工廠應(yīng)用較普遍，主要用于驅(qū)動離心式壓縮機(jī)，也有用于驅(qū)動離心泵、小型轉(zhuǎn)動設(shè)備。汽輪機(jī)是化工廠的重要設(shè)備，汽輪機(jī)故障會直接影響生產(chǎn)裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

而汽輪機(jī)的軸振動是汽輪機(jī)能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，軸振動異常是汽輪機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障的一種最直接的表現(xiàn)形式，機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性很大程度上是由汽輪機(jī)軸振動的狀態(tài)來決定的。如若汽輪機(jī)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(jī)本體故障，還有可能會引發(fā)裝置停產(chǎn)事故，造成經(jīng)濟(jì)損失。汽輪機(jī)軸振動異常的原因較復(fù)雜，汽輪機(jī)軸振動異常可能是多個原因綜合作用的結(jié)果，這就需要我們按照汽輪機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)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(jī)發(fā)生重大事故，保障機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。壓縮機(jī)組軸系圖見圖1。

1 汽輪機(jī)情況簡介

某廠的汽輪機(jī)為NK50/56型凝汽式汽輪機(jī)，屬積木塊式工業(yè)汽輪機(jī)。汽輪機(jī)汽缸按積木塊原理分為前區(qū)段(新蒸汽進(jìn)汽部分)、中間段(葉柵部分)和后區(qū)段(排氣部分)，汽輪機(jī)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(jié)構(gòu)，上下缸用法蘭面和螺栓連接，該汽輪機(jī)用于驅(qū)動一臺離心式壓縮機(jī)。汽輪機(jī)使用本特利3300監(jiān)控系統(tǒng)，檢測軸振動、軸位移。汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)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(shù)值。該汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定功率/kw額定轉(zhuǎn)速/r·m in 跳閘轉(zhuǎn)速/r·m in進(jìn)汽壓力/MPa(G)進(jìn)汽溫度/℃排汽壓力/MPa(A)耗汽量/kg·h 第一臨界轉(zhuǎn)速/r·min最大連續(xù)轉(zhuǎn)速/r·m in 23287 7251 8481 4.1 420 0.025 102.6 2328 7735

2 汽輪機(jī)故障現(xiàn)象

該汽輪機(jī)于2016年6月正式投入運(yùn)行。正常運(yùn)行時，汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)端軸振動值都在20μm 左右，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。隨著運(yùn)行時間的增加，2017 年9月，該汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道出現(xiàn)軸振動值異常情況，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過6700rpm/m in 時汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值快速上漲，6800rpm/m in時已達(dá)到50.98μm，該汽輪機(jī)軸振動高報警值為50μm，汽輪機(jī)軸振動聯(lián)鎖停機(jī)值為75μm，而聯(lián)端軸振動監(jiān)測A 通道振動值顯示31.82μm，非聯(lián)端軸振動監(jiān)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(jī)所驅(qū)動的離心式壓縮機(jī)高、低壓端軸振動未隨汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動數(shù)值的變化而變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至6650rpm/m in 時，汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值降至33μm，汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道的振動值隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動較大，而汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測A 通道振動值波動較小。汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為7251rpm/min，在6800rpm/m in 時汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值就已經(jīng)達(dá)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(jī)的安全運(yùn)行造成隱患，輕則造成機(jī)組不能正常運(yùn)行，重則會使機(jī)組發(fā)生安全事故。

圖1壓縮機(jī)組軸系圖

圖2汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動值趨勢圖

3 汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常檢查處理過程

(1)通過調(diào)看生產(chǎn)裝置壓縮機(jī)組CCS監(jiān)控系統(tǒng)的歷史趨勢，并將汽輪機(jī)軸振動、與汽輪機(jī)主蒸汽流量、壓力、溫度等放在同一時間坐標(biāo)的趨勢圖上查看(圖2)，在振動異常時汽輪機(jī)主蒸汽壓力、溫度和汽輪機(jī)的排氣壓力、溫度趨勢平穩(wěn)，無波動。壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力、溫度和流量也都在正常工況下運(yùn)行，無大幅度波動，說明汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道的異常振動與壓縮機(jī)組運(yùn)行條件發(fā)生變化無關(guān)。

(2)因傳感器失靈而導(dǎo)致的壓縮機(jī)組故障是特別常見的，所以檢查汽輪機(jī)本特利3300軸振動監(jiān)控系統(tǒng)是否發(fā)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(nèi)，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(guān)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(yùn)行時汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)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(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)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(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道GAP電壓趨勢圖

(3)通過調(diào)看生產(chǎn)裝置壓縮機(jī)組CCS監(jiān)控系統(tǒng)中的軸振動歷史趨勢，見圖4，發(fā)現(xiàn)當(dāng)汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值上升時，聯(lián)端軸振動監(jiān)測A 通道的軸振動值同時在增大，汽輪機(jī)非聯(lián)端雙通道軸振動值也在上升，但是變化較小，此現(xiàn)象說明，同一時刻汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)端軸振動值同時發(fā)生變化，所以汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道軸振動異常是真實(shí)存在的。

(4)通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)前軸承座與汽缸之間拉桿螺栓未點(diǎn)焊，鎖緊螺母松動，前軸承座發(fā)生偏移現(xiàn)象，且汽輪機(jī)前端膨脹指示器不動作。

(5)根據(jù)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測及分析系統(tǒng)上的振動信號頻譜圖(圖6)顯示，汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道軸振動的諧波能量主要是集中在轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速變化較明顯，工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時振動相位穩(wěn)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(jìn)動現(xiàn)象，且對應(yīng)波形頻譜圖中還存在削波現(xiàn)象。見圖5。

圖5汽輪機(jī)軸心軌跡圖

圖6汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動波形頻譜圖

圖4汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)端軸振動趨勢圖

(6)通過以上幾點(diǎn)判斷汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值為真，汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動出現(xiàn)異常，但情況不是十分嚴(yán)重，因?yàn)榇藟嚎s機(jī)組是該生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備，汽輪機(jī)停機(jī)檢修相當(dāng)于裝置停產(chǎn)，會造成巨大損失，因此可以在控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在6650rpm/m in 以下監(jiān)控壓縮機(jī)組運(yùn)行，直至計劃停機(jī)檢修，可以減少經(jīng)濟(jì)損失。

4 汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常的原因分析及處理

4.1 汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常的原因分析

汽輪機(jī)軸振動異常的原因是多方面的，也是比較復(fù)雜的，例如安裝及檢修質(zhì)量不良、管道振動帶動機(jī)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(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值異常可能有如下原因：

(1)汽輪機(jī)前軸承座與汽缸拉桿螺栓未點(diǎn)焊(見圖7)，鎖緊螺母松動，致使前軸承座發(fā)生偏移現(xiàn)象，且汽輪機(jī)前端膨脹指示器不動作，汽缸導(dǎo)向裝置偏移，卡澀，汽輪機(jī)運(yùn)行時熱膨脹受阻致使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與前軸承座、汽缸對中不良，以此判斷為轉(zhuǎn)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(diǎn)焊

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

(3)根據(jù)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測及分析系統(tǒng)上的振動信號頻譜圖顯示，初步判斷汽輪機(jī)存在動不平衡及輕微摩擦現(xiàn)象。

4.2 汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常的檢查、處理

針對汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常的情況，2018年8月對汽輪機(jī)進(jìn)行了大修處理，檢查處理結(jié)果如下：

(1)檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)定位值均發(fā)生變化，按汽輪機(jī)安裝技術(shù)要求，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)定位數(shù)值應(yīng)為151.9mm，實(shí)測汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子南側(cè)定位數(shù)值為152.14mm，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子北側(cè)定位數(shù)值為152.36mm，詳情如表1所示：

表1汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子定位值對比

分析原因主要是拉桿螺栓未點(diǎn)焊，導(dǎo)致螺母松動，軸承座偏移，轉(zhuǎn)子未能準(zhǔn)確定位。轉(zhuǎn)子南北兩側(cè)相差0.22mm，汽輪機(jī)前軸承座偏移0.22mm，轉(zhuǎn)子中心發(fā)生變化，引起汽輪機(jī)軸振動異常。后經(jīng)調(diào)整汽輪機(jī)前軸承座與汽缸的拉桿螺栓，調(diào)整轉(zhuǎn)子兩側(cè)定位值為151.8mm，并將拉桿螺栓點(diǎn)焊防松，如圖8所示。

圖8拉桿螺栓點(diǎn)焊防松

(2)檢查汽輪機(jī)平衡活塞汽封處有摩擦，密封齒損壞，如圖9所示。分析原因?yàn)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)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(jī)平衡活塞汽封密封齒損壞

(3)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返廠做高速動平衡

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子高速動平衡不合格，在出汽端R=290mm、∠220°處增加30g，進(jìn)汽端R=230mm、∠50°增加16g 后，轉(zhuǎn)子高速動平衡合格。

汽輪機(jī)檢修完成后運(yùn)行壓縮機(jī)組，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高升至6900rpm/min，汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值正常，最大振值24μm，檢修效果良好，運(yùn)行至今再未發(fā)生過汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常情況。

5 結(jié)語

汽輪機(jī)軸振動的大小，是評價一臺汽輪機(jī)運(yùn)行安全、可靠的重要指標(biāo)，對于汽輪機(jī)來說微小的振動必不可免，只要振動幅度不超過技術(shù)要求所規(guī)定的數(shù)值就屬于正常振動。但也難免會出現(xiàn)一些異常振動。汽輪機(jī)異常振動產(chǎn)生的原因相對較復(fù)雜，要從多方面考慮。因此，針對汽輪機(jī)異常振動的分析顯得尤為重要。汽輪機(jī)在化工廠屬于核心設(shè)備，減少汽輪機(jī)的故障率對化工廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著深遠(yuǎn)的意義。