某1 000 MW汽輪機振動突變分析與治理

陳 卓，熊祥輝，湯紅權

（國家能源集團國電漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川431614）

0 引言

國電漢川發(fā)電有限公司5號機是上海汽輪機廠引進德國西門子技術，改進生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界燃煤機組，于2012 年12 月投入運行。機組投運以來，反復出現(xiàn)1 號瓦軸振異常缺陷，下面就該振動處理情況進行分析總結。

1 理論依據(jù)

1.1 軸系結構

機組型號是上汽N1000-26.25/600/600（TC4F）型，制造單號是196-20-37，發(fā)電機型號是THDF125/67。

整體采用西門子HMN積木塊設計，高壓缸采用筒形結構，進汽閥門與汽缸直接相連。整機軸系由1 根高壓轉子、1 根中壓轉子、2 根低壓轉子、1 根發(fā)電機轉子和1根勵磁機轉子組成。所有轉子均由剛性聯(lián)軸器連接。其中高壓轉子和發(fā)電機轉子是傳統(tǒng)的雙支撐軸承，中壓轉子、低壓1號轉子、低壓2號轉子及勵磁機轉子是單支撐軸承。汽輪機軸承座采用整體灌漿的落地形式，可減少真空變化以及汽缸變形對機組振動的影響，相對座缸軸承提高了穩(wěn)定性（如圖1）。

圖1 機組軸系結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of unit rotor

徑向滑動軸承采用的是經(jīng)過特殊優(yōu)化的袋式軸承，其下瓦的型線是由不同弧度的三段連續(xù)圓弧構成，以期在運行中形成更穩(wěn)定的動壓油膜。相對于常規(guī)可傾瓦軸承，袋式軸承承載能力較高，比壓最大可達3.2 MPa。

機組在每個軸承的135°方向同時布置2個加速度傳感器，測量瓦振；在每個軸承座45°、135°方向各配置1個渦流傳感器，測量X和Y方向軸振。

1.2 振動原因

1）汽流激振。轉子與靜子之間蒸汽，使轉子受到穩(wěn)定的切向力，當其超過軸瓦約束所提供的阻尼時，微小的擾動都會使轉子以其一階固有頻率渦動，這種現(xiàn)象就是汽流激振。汽流激振是一種自激振動，從某個負荷開始，正比于負荷；不僅有基頻（50 Hz）分量，還有不斷跳變的低頻（25 Hz）和高頻（100 Hz、150 Hz、…）分量。產(chǎn)生汽流激振力的原因主要有以下3種［1-15］：

第一是葉頂間隙激振力，轉子在旋轉過程中出現(xiàn)偏心，使葉頂間隙沿周向分布不均，導致蒸汽在間隙處的流量不均。由此，作用在葉輪周向的切向力隨之波動，產(chǎn)生一股作用于葉輪中心的間隙激振力（如圖2）。其大小正比于葉輪的級功率，反比于動葉的高度、節(jié)徑及轉速，所以間隙激振易發(fā)生于高壓轉子［16-18］。

圖2 葉頂間隙激振機理Fig.2 Vibration mechanism of the blade top clearance

第二是密封流體力。轉子的動態(tài)偏心使蒸汽壓力在汽封腔室中分布不均，產(chǎn)生一股與轉子偏移方向垂直且使轉子失穩(wěn)的合力。這股合力與汽封的尺寸、蒸汽流量、壓力、溫度、汽封齒的間隙以及轉子的角速度等因素有關。

第三是靜態(tài)蒸汽力。作用于轉子的高壓蒸汽會改變汽缸中轉子的徑向位置，使通流部分間隙變化。機組雖然是全周進汽，但不能排除蒸汽進汽方向和壓力的波動。

2）軸承失穩(wěn)。軸瓦對汽流的變化很敏感，作用于轉子的高壓蒸汽，會改變軸瓦中軸頸的位置，使軸瓦載荷變化。為平衡這股附加的力，軸瓦的油膜力也將隨之變化，引起油膜失穩(wěn)導致振動。軸瓦油膜振蕩可以產(chǎn)生不穩(wěn)定的半頻振動，油膜很厚（對應的油膜壓力低）的時候發(fā)生半頻振動，油膜很薄時半頻振動就消失。軸瓦烏金面的磨損以及軸瓦球面墊鐵和支架接觸面的接觸不良都會加劇此類振動［19-21］。

3）動靜碰磨。機組軸封、高壓缸等部位動靜間隙較小，變工況過程中動靜碰磨可能性較大。出現(xiàn)摩擦后，產(chǎn)生的熱量會造成轉子的局部熱彎曲，進而加劇碰磨。當負荷變化，轉子處于一個新的位置后，動靜碰摩可能會消失，振動就會正常。這時往往會表現(xiàn)為：振動增大→恢復正常→再增大→又恢復正常…［22-26］。

4）不平衡的影響。不平衡使振動的基數(shù)增大，而且不平衡本身也會成為不穩(wěn)定振動的誘因。

2 振動缺陷的前期探索

2019 年3 月，1 號瓦軸振出現(xiàn)突變現(xiàn)象。負荷977 MW 時，軸振227 μm 持續(xù)約4 s，最高230 μm 約1 s。從sis上調取數(shù)據(jù)（見圖3）進行分析：不穩(wěn)定振動只出現(xiàn)在某個時間段，出現(xiàn)異常后慢慢消失；從頻譜上看，1 號瓦振動是以低頻分量為主，振動性質是汽流激振。

2019年5月8日，機組臨檢。檢修人員調整1號瓦各間隙至圖紙要求，另抬高1號瓦標高0.10 mm。檢修完畢后開機，經(jīng)過10 d運行，1號軸振又出現(xiàn)異常。表現(xiàn)為高負荷區(qū)間波動較大，機組負荷950 MW 1號瓦軸振峰值達192 μm（見圖4）。

對振動進行持續(xù)監(jiān)測，1X 的通頻值在150 μm 附近波動，瞬間達到過250 μm（如圖5），從圖可見，1X軸振的主要成分是基頻。但也包含一些雜波成分，使得通頻明顯高于基頻值。抓取5月31日11：01振動突變時的頻譜，發(fā)現(xiàn)振動主要成分是基頻（50 Hz）和半頻（25 Hz）。

2019年5月31日，機組負荷500 MW，進行“5號機低負荷啟動頂軸油試驗”。啟動1臺頂軸油泵后，在機組振動敏感區(qū)域850 MW區(qū)間段，振動下降明顯，變負荷時振動也無明顯變化。從啟動頂軸油的效果可看出，該軸瓦剛度很差，很小的外界影響都可能干涉軸瓦的正常運行。

圖3 2019年3月20日至21日1號軸承間歇性振動趨勢Fig.3 20-21 March 2019 intermittent vibration trend chart of the No.1 bearing

圖4 2019年5月15日至20日1號軸承振動隨負荷變化趨勢Fig.4 15-20 May 2019 the trend of the No.1 bearing vibration varies with load

圖5 2019年5月31日至6月3日1號軸承振動變化趨勢Fig.5 31 May-3 June 2019 the vibration trend chart of the No.1 bearing

2019年6 月17 日，利用停機機會，更換1 號軸承，在軸封間隙許可的情況下，再次抬高1 號瓦標高0.10 mm并重新研磨軸承支架與球面墊鐵。按下限調整軸瓦頂隙、兩側插鍵間隙及瓦蓋間隙。并對高壓缸碰缸調整。

修后開機，1 號瓦軸振仍然呈上升趨勢（見圖6）。1 號瓦軸振在65～110 μm 之間變化，負荷低的時候振動大，負荷高的時候振動小（見圖7）。

檢修后1號瓦軸振有逐漸惡化的趨勢說明存在某種部件的損壞。而且損壞的程度越來越嚴重，導致振動惡化的加劇。從對已有測量數(shù)據(jù)的分析看，問題可能發(fā)生在1號軸承。理由如下：

圖6 2019年7月4日至14日1號軸承振動隨負荷變化趨勢Fig.6 4-14 July 2019 trend of the No.1 bearing vibration varies with load

1）振動相位變化。檢修前后比較，1號瓦軸振X、Y 向的關系發(fā)生變化，通常X 的振幅應略高于Y，而檢修后Y 高于X，且運行2 個月后又變?yōu)閄 高于Y，這是不正常的。

表1 振動相位變化Table 1 Changes in vibration phase

2）數(shù)據(jù)跳變。正常情況下，振動隨時間的變化是一條平滑的曲線。但1 號瓦軸振極不穩(wěn)定，這種變化是由基頻的變化引起的，汽流激振會引起基頻振動。如果軸瓦位置不對，也會加劇這種振動，因此不能排除軸瓦烏金損壞或者球面接觸不良的可能（見圖8）。

3）瓦溫異常。1 號瓦的瓦溫偏高，在79～83 ℃之間變化；且軸瓦主要承載區(qū)域瓦溫反而比軸瓦頂部低。使轉子上浮的靜態(tài)蒸汽力和軸瓦干摩擦會導致這種情況。

4）投頂軸油。2019年7月26日，機組負荷880 MW時1 號瓦軸振上漲至149 μm，降負荷至550 MW，軸振降至100 μm 穩(wěn)定，瓦振由1.7 mm/s 降至1.1 mm/s。啟動1 號頂軸油泵陪轉，軸振緩慢降至90 μm，升負荷至950 MW 后，1 號瓦軸振穩(wěn)定在65 μm。可以看出軸瓦油膜穩(wěn)定性不夠，油膜的支持力無法很好地平衡作用于轉子的汽流激振力；當投入高壓頂軸油后，增加了油膜的剛度，振動明顯得到抑制。

圖8 2019年7月13日1號軸承振動頻譜圖Fig.8 13 July 2019 the vibration frequency spectrum of the No.1 bearing

3 振動缺陷的治理

針對1 號瓦振動問題，總結前幾次缺陷處理的經(jīng)驗，對1 號瓦、高中壓轉子對輪、2 號瓦等進行了全面處理。

3.1 檢修思路

1）徹底檢查1號、2號瓦的裝配數(shù)據(jù)。

軸瓦頂隙及軸瓦防跳間隙按標準下限調整；重點檢查軸瓦底部球面墊鐵與支架接觸，每平方厘米有點的接觸面積占到總面積的75%；更換零散的軸承支架調整墊片為整塊并提高1號瓦標高0.10 mm；對研檢查軸頸與下瓦烏金接觸，并略微修刮烏金面保證軸瓦與轉子的接觸角為60°。通過以上措施來增加軸瓦的自我調節(jié)能力和穩(wěn)定性。

2）氣缸動靜部位進行檢查。

測量高壓缸及中壓缸端軸封間隙，按圖紙要求對高壓缸和中壓缸進行徑向碰缸調整，重新加工定位立銷，立銷間隙保持下限；復核調整軸承室油擋間隙；解高-中對輪，測量并微調高中對輪的中心；檢查調整液壓盤車與高壓轉子的中心，以排除液壓盤車連接件對于1號瓦振動的影響；重點檢查滑銷系統(tǒng)，包括貓爪壓板、立銷、縱銷等，另外對高壓汽門的支撐也做相應的檢查。

3.2 問題處理

1）1 號瓦軸承支架與墊鐵接觸不良，有明顯的電腐蝕痕跡（見圖9）。

圖9 1號瓦軸承支架的接觸Fig.9 Contact of the No.1 bearing prong

轉子受高溫蒸汽推動，高速旋轉過程中葉片會產(chǎn)生靜電，保溫材料中硅酸鋁與轉子間隙過小發(fā)生碰磨也會釋放靜電，導致軸頸、軸承及支架發(fā)生電腐蝕。

本次檢修更換新軸承支架，對球面墊鐵及支架接觸面進行研磨，確保球面接觸≥75%；為了消除電腐蝕，在2 號瓦靠高壓缸側加裝接地裝置，盡量降低運行中靜電對設備的腐蝕；對1號、2號瓦處保溫進行整改，使用新型保溫替代硅酸鋁保溫，降低保溫的厚度，增大保溫與轉子的間距。

2）1號軸頸表面、1號瓦烏金面爐側及2號瓦L銷電腐蝕（見圖10）。

圖10 軸頸、軸瓦及定位銷電腐蝕Fig.10 Electro-corrosion of the axle journal,bearing,dowel pin

1號軸頸徑向180°呈現(xiàn)電腐蝕，另外180°光滑，該機組運行期間軸電流監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常。就此現(xiàn)象，請廠家和相關檢修專家進行過分析討論，暫無準確的答復。運行時1 號瓦爐側瓦溫相對電側偏高，解體亦發(fā)現(xiàn)爐側上、下部均有明顯的烏金重載摩擦痕跡并有電腐蝕的細微麻點，測量1號瓦瓦口間隙也是爐側偏小。綜合這次檢修發(fā)現(xiàn)的軸頸電腐蝕情況，和1 號瓦油擋洼窩和軸封間隙情況，可以判斷轉子運行中總是偏爐側，導致軸瓦烏金部分重載磨損。同時L 銷受到了電腐蝕的影響出現(xiàn)了麻坑，也影響了L銷的接觸，并進一步減弱了軸瓦的支撐剛度。

此次檢修，用金相砂紙和麻繩對軸頸進行拋光處理。對軸瓦進行適當修刮，修刮后用刀口尺和塞尺檢查，并將軸瓦與軸頸對研保證接觸角為60°。2號瓦兩側軸向限位面凹坑現(xiàn)場打磨至表面光滑無毛刺，間隙按下限調整。在高壓缸后端與2號瓦間加裝自行設計的柔性接地裝置（見圖11），消除電腐蝕。

圖11 接地裝置Fig.11 Grounding device

3）1 號瓦軸承蓋與瓦殼兩側間隙不均勻且超標，兩側插板間隙超標。

1 號瓦在置位性不佳的情況下長期運行擠壓瓦殼，多次檢修均發(fā)現(xiàn)相同問題。轉子旋轉帶動軸瓦在限定區(qū)位內做位移，由于瓦蓋不動，所以升壓站側間隙受到擠壓導致間隙偏小，同理鍋爐側間隙偏大。回裝時，按要求間隙的下限進行調整回裝。

4）1號瓦地腳大螺栓力矩不夠。

對大螺栓張緊器分3次擰緊。第1次以50%的擰緊力矩用十字交叉法擰緊，第2次以100%的擰緊力矩用十字交叉法擰緊，第3次以100%的擰緊力矩用圓周順序法擰緊。

5）高-中對輪中心偏移。

解對輪螺栓，拆開高壓轉子與小軸端的花鍵齒法蘭，頂開高-中對輪間隙至1.0 mm。裝脹套1 只，工藝螺栓2 只，啟動頂軸油泵盤車90°停油泄壓，松脹套和工藝螺栓后塞尺測量計數(shù)。回裝時調整中心為右側（升壓站側）張口0.01 mm，底部張口0.005 mm。高、中壓缸進行修后碰缸作業(yè)，并作汽缸負荷分配。

3.3 開機情況

機組檢修完畢后，1 號瓦軸振在升降負荷時波動較大，最大約120 μm；滿負荷穩(wěn)定運行后1號瓦軸振在40 μm 至70 μm 之間波動，均值50 μm 左右，整個軸系振動處于合格范圍內（見圖12）。

圖12 1號、2號軸承振動頻譜圖Fig.12 The vibration frequency spectrum of the No.1、No.2 bearing

4 結語

汽流激振和油膜失穩(wěn)是此類機組1號瓦振動異常的主要原因，減小汽流激振、加強軸瓦剛度是治理該缺陷的一般思路。本文主要對漢川電廠5號機1號瓦振動異常進行了分析研究，總結了該典型振動故障的診斷及處理經(jīng)驗，為解決類似振動問題提供了相應的技術理論與實踐指導，并得出如下結論［27-31］：

1）機組基礎沉降、汽水管道及軸承座二次灌漿的應力釋放等不可抗力均會導致轉子相對汽缸位置發(fā)生變化，引起汽流激振。對汽缸進行碰缸調整使其與轉子保持同心，檢查汽缸滑銷系統(tǒng)并對汽缸做負荷分配，調整汽門支吊架可緩解汽流激振。

2）實踐表明，采用增加1 號瓦標高的方法可緩解1號瓦振動。在修前瓦溫較低時，可按上抬0.20 mm進行調整。高標準研磨軸瓦球面墊鐵與軸承支架，對振動異常有重大改善。本次檢修軸瓦球面接觸接近90%，啟機后效果明顯，軸瓦間隙和緊力在標準范圍內取下限進行調整。

3）機組的電腐蝕現(xiàn)象很常見，應定期對接地碳刷進行檢查。通過在適當位置增加接地裝置，并對保溫進行改造可顯著減輕機組電腐蝕，有益于軸瓦自位。

4）液壓盤車與高壓轉子的中心調整，除了要關注張口及圓周，還要調整盤車小軸的揚度和軸系形成連續(xù)的揚度弧線，以消除熱態(tài)的不對中。

5）運行期間啟動頂軸油泵進行陪轉，可有效緩解1號瓦軸振波動，是迫不得已且行之有效的應急之法。

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孔子自己，也不喜歡自夸。雖然在《論語·公冶長》中，孔子說：“十室之邑，必有忠信如丘者焉，不如丘之好學也。”這句話似乎帶有自矜性質，但細細一想，孔子說自己好學無人能匹，這恰是其謙遜處。《論語·八佾》中說，孔子入太廟，每事問。有人就質疑孔子，認為他對禮儀并不擅長，什么事都要問。孔子聽說了，答復說，這正是禮啊！孔子對前代禮儀是有深入研究的，但入太廟，還是要“每事問”，這恰好說明孔子“學而不厭”，不正是其謙遜處嗎？

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