淺談汽輪機轉子彎曲變形原因分析及修復方法與預防

楊忠亮，李明，任建春，楊紅軍

（云南云天化紅磷化工有限公司，云南 開遠 661699）

汽輪機也稱蒸汽透平發動機，是能將蒸汽熱能轉化為機械功的回轉式機械，是一種旋轉式蒸汽動力裝置，來自鍋爐的蒸汽進入汽輪機后，依次經過一系列環形配置的噴嘴和動葉，高溫高壓蒸汽穿過固定噴嘴成為加速的氣流后噴射到葉片上，使裝有葉片排的轉子旋轉，將蒸汽的熱能轉化為汽輪機轉子旋轉的機械能。同時，對外做功。在運行過程中，汽輪機轉子一方面需要承受汽流的作用力和葉輪本身離心力所引起的應力，另一方面，承受由蒸汽溫差所引起的熱應力等，檢維修或操作不當容易引起汽輪機轉子產生彎曲變形。

1 轉子變形

紅磷化工80萬噸/年硫酸裝置（以下簡稱裝置）2009年配套安裝一臺B6-3.3/0.6型、6KW背壓式汽輪機，用于驅動AV80-4軸流壓縮機以提供裝置升溫、焚硫爐燃燒等生產用氣。2019年6月25日，因裝置酸泵電機出現故障而使裝置停車，裝置停車時并未將汽輪機進行停車處理，而是將汽輪機轉速從3950轉/分鐘逐步降至1000轉/分鐘運行。約3小時后裝置恢復開車時同步提高汽輪機轉速開車運行，轉速提升過程中，發現汽輪機進汽測、排汽測轉子振動大。趨勢圖上顯示機組振動逐步上升，轉速提升20分鐘時，汽輪機排汽側和進汽側振動值升至500μm，于是，于當天22:03分緊急停下汽輪機后盤車。

由于機輪機機組在1000轉/分鐘狀態下運行約3小時未出現振動情況，緊急停車后盤車期間也沒有找到振動大的原因，為進一步查找汽輪機振動大的原因，緊急停車30分鐘后于22:35分再次沖轉汽輪機至500～600轉/分鐘，此時汽輪機振動在18～51μm，振動值明顯高于大修后開車時10～15μm的振動值，為避免汽輪機轉子變形，汽輪機在500～600轉/分鐘運行30分鐘后停機進入盤車狀態。經技術人員分析，汽輪機在低轉速運行時間過長，汽輪機的轉子、汽缸膨脹不同步,引起局部動靜摩擦,產生振動大，于是，決定將機組盤車3小時后再沖轉觀察。

汽輪機于6月26日1:55分再次沖轉至500轉/分鐘，振動值在18～51μm，將轉速升至1000轉/分鐘，振動值最高到110μm，3:30分左右振動值降至100μm，機組運行了近1.5小時振動值無降低趨勢，決定將轉速升速過臨界轉速作進一步觀察，過程中如發現振動超過250μm時，及時停機，避免給機組帶來更大的損害。于6月26日3:30分對汽輪機進行提升轉速操作，3:35分轉速升到1600轉/分左右，發現振動值快速上升，進氣側B點軸振動值為480μm左右時，立即按下緊急停車按鈕停車，機組停車后隨即盤車。在停車過程中，聽見汽輪機后軸承方向有金屬摩擦聲音，聲音隨即消失，為找到聲音發出的位置，在停機過程中，聽見后汽封處有汽體往外噴出的聲音，用聽棒測聽沒有明顯的金屬摩擦聲，只發現汽輪機軸靠近后軸承座擋汽板處有明顯的亮點。

汽輪機6月26日3:35分開始升轉速情況見曲線圖：

圖1 升轉速情況曲線圖

注：根據曲線圖顯示：2019年6月26日3:35分20秒時，汽輪機轉速為1632.893轉/分鐘，氣輪機進氣側B點軸振動值為483.076μm、進氣側A點軸振動值為406.222μm，氣輪機排氣側A點軸振動值為417.740μm。

考慮到再繼續升速將對汽輪機產生破壞性作用，于是，放棄過臨界轉速（臨界轉速1906轉/分鐘）的計劃，停機對汽輪機進行檢查。汽輪機盤車冷卻至7月1日，拆除汽輪機上蓋，吊出轉子檢查，發現轉子及缸體多處擦傷。對轉子做低速動平衡檢測，發現第6組葉輪圍帶處彎曲值達到0.55mm，判斷轉子已產生變形。

汽輪機磨損情況見圖2。

下汽缸磨損情況：

圖2 汽輪機磨損情況

2 轉子變形原因分析

（1）轉子在低轉速1000轉/分中運行時間過長，運行時蒸汽處于放空狀態，蒸汽管道因熱膨脹產生的熱應力作用于氣缸上，使缸體變形、轉子產生熱變形，汽輪機動靜部分的同心度及間隙受到破壞，造成缸體和轉子產生動靜碰擦、轉子局部過熱，汽輪機振動加劇，是造成轉子產生彎曲變形的直接原因。

（2）操作人員對汽輪機低轉速運行時轉子產生熱變形帶來的風險預估不足，汽輪機進汽測、排汽測振動大時未停機查找原因并采取有效措施消除振動，而是多次強行沖轉汽輪機，從而引起強烈振動，使得汽輪機動靜間隙消失，引起轉子與靜止部分發生摩擦，摩擦部分的轉子局部過熱，以致使轉子產生永久性彎曲變形，這是轉子產生彎曲變形的又一直接原因。

（3）裝置聯鎖未按規程投用，管理不完善，設備異常時未起到保護作用，導致了事故進一步擴大，是造成產生彎曲變形的間接原因：汽輪機減轉速過程中解除汽輪機振動聯鎖，在提升轉速過臨界轉速時未投入聯鎖,導致汽輪機機組振動值超過設定100μm的聯鎖跳停值時汽輪機未及時聯鎖停機。

3 轉子修復

經聯系汽輪機生產廠家，要求將變形轉子返該公司檢測后才能確定是否具有修復價值。變形轉子裝車返汽輪機生產廠檢測，軸彎曲最大值為0.7mm，汽輪機聯軸器端有扭曲，轉子材質具備應有的強度，具有修復價值。修復方法為采用加工高點的方法來修復轉子，修復時固定兩端頂針孔來加工轉子高點，并通過對轉子做動平衡試驗、臨界轉速試驗和超高轉速飛錘試驗，試驗合格后，測量前軸瓦軸頸跳動值為0.005mm，后軸瓦（聯軸器端）軸頸跳動值為0.045mm。修復后的轉子運回裝置安裝使用，運行一年，未出現轉子異常振動情況。

4 防范措施

4.1 優化工藝操作

（1）裝置停車時，汽輪機同步停車，嚴禁汽輪機在低轉速下長時間運行。

（2）優化汽輪機開車：

①汽輪機暖管、暖機沖轉前，開機時進汽溫度應不低于425℃；

②嚴格控制上下缸溫差小于50℃，最佳控制小于35℃以下；

③汽輪機嚴禁在低轉速下長時間暖機，暖機時間控制在態不能超過20分鐘，熱態不能超過10分鐘；

④重視汽輪機暖機排氣溫度變化情況，把汽輪機暖機排氣溫度納入操作管理。

4.2 優化聯鎖設置

按轉速分段設置聯鎖控制，開車前投用聯鎖。

4.3 技術措施

（1）汽輪機安裝或檢維修時，應嚴格按照技術參數調整動靜部件間隙，汽輪機沖轉前的轉子振動值、上下缸溫差、主蒸汽及再熱蒸汽的溫度等必須符合有關規定，否則，禁止啟動。

（2）停機后應立即投入盤車，當盤車電流比正常值大，振動或聲音異常時，應及時分析處理。自動盤車當軸封摩擦嚴重時，應先改為手動方式盤車180°,待摩擦基本消失后，投入連續盤車。

（3）汽輪機沖轉前應進行充分盤車,一般不少于4小時，盡可能避免中間停止盤車。若盤車中斷，應重新計時。

（4）熱態啟動前，應檢查停機記錄并與正常停機曲線比較，發現異常情況及時處理。

（5）熱態啟動時，應先投軸封后抽真空，高壓軸封使用的高溫汽源需與軸封金屬溫度相匹配，軸封蒸汽管道應充分暖管、疏水，防止水或冷氣從軸封進入汽輪機。

（6）對操作規程和檢修維護規程進行清理和完善，編制檢修和操作作業指導書指導作業。

5 結語

汽輪機是現代火力發電廠的主要設備，也用于冶金工業、化學工業、艦船動力裝置中，統計表明，86%的汽輪機轉子彎曲事故是由于轉子碰擦引起的，而其中80%以上是機組熱態啟動時發生的，汽輪機轉子一旦發生彎曲變形，將使企業和社會產生巨大經濟損失。規范汽輪機檢維修和汽輪機操作，提高設備維修人員和操作人員的工作技能，能有效預防汽輪機轉子發生變形事故，對企業維持正常的生產次序、降低生產成本、提高經濟效益起到積極的作用。