某600 MW機(jī)組部件脫落引起的振動故障分析及處理

劉志敏，曾慶猛

(1.上海華電閔行能源有限公司，上海 201108;2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

汽輪發(fā)電機(jī)組部件脫落是導(dǎo)致汽輪機(jī)振動的常見故障，部件脫落的準(zhǔn)確分析及處理對提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。目前部件脫落主要根據(jù)振動的變化、頻譜等特征進(jìn)行分析[1-10]。

本文針對某660 MW機(jī)組啟動過程中發(fā)生部件脫落引起振動的問題，根據(jù)振動特征進(jìn)行矢量分析，為同類型故障分析及處理提供參考。

1 機(jī)組概述

某660 MW機(jī)組汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的N600-24.2/566/566型超臨界、三缸四排汽、單軸、無抽汽、水冷凝汽式汽輪機(jī)。5號機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子HP、低壓轉(zhuǎn)子LP1、低壓轉(zhuǎn)子LP2、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子及9個徑向軸承組成，如圖1所示。

圖1 軸系組成

2 振動故障特征

a.第1次啟動升速到1000 r/min以后7瓦復(fù)合振動振幅為180 μm，分析為測點(diǎn)問題，更換瓦振傳感器，振動恢復(fù)正常。升速到3000 r/min后繼續(xù)空轉(zhuǎn)，3瓦、4瓦、5瓦、6瓦軸振慢慢變大，6Y軸振達(dá)到保護(hù)值，機(jī)組停機(jī)。

b.第2次啟動升速到2938 r/min，3瓦、4瓦、5瓦、6瓦軸振突增，機(jī)組跳閘。其中5X軸振突增到390 μm(370 μm為工頻成分)；5Y軸振突增到408 μm，如圖2所示。TSI采集振幅數(shù)據(jù)由正常50 μm突增到390 μm，間隔10 ms，DCS間隔10 ms，如圖3、圖4所示。升速過程中在1330 r/min、2400 r/min分別有峰值，第2次升、降速分別到1330 r/min、2400 r/min、2938 r/min時，3瓦、4瓦、5瓦、6瓦振動明顯，振動通頻、工頻及相位如表1、表2所示。

表1 升速振動 μm /μm/(°)

表2 降速振動 μm /μm/(°)

圖2 5Y振動趨勢

圖3 振動突變前

圖4 振動突變后

如圖5所示，第1次和第2次升速Bode曲線重合，降速Bode曲線明顯高于升速，且第2次降速曲線高于第1次降速曲線。紅色箭頭為第1次升、降速過程，藍(lán)色箭頭為第2次升、降速過程。

圖5 5Y Bode圖

c.第3次升速到2000 r/min，第4次升速到2100 r/min，5瓦軸振為200 μm，并有增大趨勢，打閘停機(jī)，其升速和降速Bode曲線與第2次曲線重合。第3、4次升速過程中，2000 r/min之前各瓦振幅和相位穩(wěn)定，且絕大部分為一倍頻成分。

d.第4次啟動升速振動較大時，用聽音棒可以聽到低壓缸有較小異音。

3 振動故障分析

a.第1次升速到3000 r/min時，5Y、6Y軸振振幅分別為101 μm、88 μm，隨著空轉(zhuǎn)時間延長，振幅逐漸增大，當(dāng)5Y、6Y軸振振幅分別為190 μm、240 μm時，振動保護(hù)動作停機(jī)，此時5Y、6Y相位比升速到3000 r/min時分別增大了85°、30°。從振幅和相位分析，符合摩擦振動特征，判斷第1次啟動升速到3000 r/min后，5瓦、6瓦發(fā)生了徑向碰磨，本次摩擦故障分析為后面確認(rèn)部件脫落故障打下基礎(chǔ)。

b.由于第1次啟動發(fā)生徑向碰磨，轉(zhuǎn)子沒能完全恢復(fù)到第1次啟動前的狀態(tài)，第2次啟動到2900 r/min之前，5瓦、6瓦軸振振幅和相位與第1次啟動時比較，相同轉(zhuǎn)速下差別不大。但升速到2938 r/min，3瓦、4瓦、5瓦、6瓦軸振突增，同時相位突變，在短時間內(nèi)振幅和相位發(fā)生突變，是轉(zhuǎn)子部件瞬間脫落導(dǎo)致振動的典型特點(diǎn)，也是區(qū)分原始不平衡和漸進(jìn)不平衡的重要依據(jù)，如表3所示。

c.對突變前、后的振動進(jìn)行矢量分析，如表4所示，突變前，3瓦與4瓦、5瓦與6瓦的同相、反相分量較小；突變后，同相、反相分量增加，且反相分量增加較大。這說明2根低壓轉(zhuǎn)子兩端或者一端的平衡狀態(tài)發(fā)生變化，結(jié)合2根低壓轉(zhuǎn)子的外端軸承即3瓦、6瓦振動突變比5瓦小得多，認(rèn)為是低壓轉(zhuǎn)子一端的平衡狀態(tài)發(fā)生變化。根據(jù)2根低壓轉(zhuǎn)子之間聯(lián)軸器兩端的軸承4瓦和5瓦的振動矢量分解，突變后，同相分量變化為251 μm，遠(yuǎn)大于反相分量的變化，這符合轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性，同時驗(yàn)證了低壓轉(zhuǎn)子一端的平衡狀態(tài)發(fā)生變化。

d.由于5瓦振動突變最為明顯，認(rèn)為部件脫落的位置可能為靠近5瓦側(cè)低壓轉(zhuǎn)子末幾級葉片和聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)部件。機(jī)組為大修后啟動，第1次啟動5瓦振動并不大，且大修期間末幾級葉片都經(jīng)過探傷未發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)生斷裂的可能性很低，所以重點(diǎn)懷疑為聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動部件脫落。該聯(lián)軸器兩側(cè)裝有擋風(fēng)板，每側(cè)1圈由2片半圓形擋風(fēng)板組成，在3000 r/min高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大離心力，若在檢修期間重裝擋風(fēng)板時聯(lián)接螺栓強(qiáng)度不夠，或安裝不到位，很有可能導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)板脫落，從而引起以5瓦為主的振動突變。

e.第3、4次啟動升速、降速Bode曲線重合，重現(xiàn)性較好，且與第2次停機(jī)降速(此時振動已經(jīng)突變，部件脫落已經(jīng)發(fā)生)的Bode曲線一致，更進(jìn)一步驗(yàn)證了故障為部件脫落。

表3 不平衡振動故障特征

表4 振動突變前后矢量分析 μm

4 振動故障處理

分析5瓦聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)部件脫落可能性大于5瓦低壓轉(zhuǎn)子末幾級脫落，首先打開聯(lián)軸器罩殼檢查，如果無異常再對5瓦低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查。

打開聯(lián)軸器罩殼后，發(fā)現(xiàn)靠近5瓦軸承對輪螺栓的擋風(fēng)板脫落，脫落位置如圖6所示，脫落的擋風(fēng)板如圖7所示，脫落的半圈擋風(fēng)板質(zhì)量為7.2 kg。更換整圈擋風(fēng)板后，機(jī)組重新啟動振動正常。

圖6 聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)部件脫落位置

圖7 聯(lián)軸器脫落的部件

5 結(jié)論

a.采用正向推理的方法進(jìn)行振動分析，逐步縮小故障范圍，逐一排除。首先確定全部的可能故障范圍；然后進(jìn)行振動故障分類，確定是轉(zhuǎn)動部件振動還是支撐部件振動；最后確定是穩(wěn)定振動還是非穩(wěn)定振動。

b.振動在10 ms內(nèi)發(fā)生幅值和相位的突變，符合矢量變化規(guī)律，是典型的旋轉(zhuǎn)部件脫落振動特征，再根據(jù)振動變化幅度及矢量分析，進(jìn)一步確定發(fā)生脫落的部件位置。

c.通過振動特征和矢量分析相結(jié)合的方法，對振動故障正確判斷，為同類型故障分析及處理提供參考。