汽輪機運行振動危害與解決措施

禹海斌

（甘肅電投常樂發電有限責任公司，甘肅酒泉 736100）

0 引言

隨著現代技術發展，機械設備內部的精密程度越來越高，內部零件耦合狀態的要求也更加明顯。一旦某個零部件發生故障，將會影響整個生產鏈。對于汽輪機來說，可以通過觀察其振動情況來判斷內部零件是否出現松動和發生故障。若汽輪機出現振動過大，則表明該汽輪機出現故障，必須立即診斷維修。影響汽輪機振動的因素有很多，因此，準確排查故障原因，給出解決措施，對企業有著重要意義。

1 汽輪機運行振動的危害

（1）汽輪機熱經濟性降低。汽封間隙量與汽輪機熱經濟性之間有直接關聯。汽輪機振動過大會導致汽封間隙變大，造成汽輪機熱經濟性降低。

（2）造成動靜部分和支撐部件損壞。在機組異常振動情況下，動靜部分發生摩擦，造成端部軸封磨損。此外，過大的振動也會造成葉片、葉輪和密封瓦等部件出現疲勞，導致軸瓦烏金龜裂。

（3）造成連接部件松動。當汽輪機發生異常振動時，會引發汽輪機的軸承、主油泵和渦輪等部件發生共振現象，造成連接螺栓松動、地腳螺栓斷裂，最終機組發生故障。

（4）造成設備事故。汽輪機振動過大會引起調速系統的不穩定，進而發生調速系統事故，甚至可能危急遮斷器，導致其操作失誤，造成事故停機。此外，過大振動也會導致發電機勵磁機部件松動、損壞。

2 汽輪機振動故障分析

2.1 動靜部位碰摩

一般來說，動靜部位碰摩分為局部碰摩和整周碰摩。

（1）動靜局部碰摩特征。輕微碰摩，振幅不變，嚴重碰摩，振幅減小。碰摩增加，諧波分量也出現增加現象。碰摩造成不平衡質量點位置不斷發生改變，使得相位也發生變化[1]。

（2）動靜整周碰摩特征。轉子橫向振動頻率變高；軸頸中心向軸承內部間隙圓中心偏移；1×頻最大振幅為摩擦點截面間隙圓。造成動靜部位碰摩的原因主要有3 個：首先是在設計或安裝過程中動靜間隙過小；其次是轉子振幅過大；還有可能是因為軸系不對中，引起轉子偏斜，發生碰摩。

2.2 轉子質量不平衡

汽輪機轉子質量不平衡的特征有很多，其主要故障特征見表1。導致轉子質量不平衡的原因有很多，綜合來看，主要原因如下。

表1 轉子質量不平衡的振動故障特征

（1）熱彎曲。當轉子發生熱彎曲后，其轉速會下降。當下降到臨界值時再啟動，就會產生更大振幅，從而出現汽輪機振動。轉子在不同狀態下的波特圖能夠幫助判斷是否發生熱彎曲。此外，轉子材料的熱應力、氣缸進水等原因都會使轉子發生熱彎曲。

（2）原始性不平衡。該類不平衡在轉子轉動前就存在，在加工或者檢修過程中遺留下來的，其特征是振幅和相位受其他參數影響不大，振動特征較穩定[2]。

（3）零部件的松動、飛脫。轉子上可能發生飛脫、松動的零部件有平衡質量塊、葉片和護環等。當零部件發生飛脫時，振幅呈突發性的變動，迅速增大到某一固定值[3]。此外，當機組帶有負荷時比較容易發生這類故障。

2.3 異步振動

異步振動分為油膜振蕩和蒸汽激勵振蕩。

（1）油膜振蕩由油膜渦動引起。油膜渦動是因為軸頸的位置隨著滑動軸承載荷的變化而變化。在變化過程中，產生慣性力，軸頸在外載荷作用下，使得軸頸中心線相對于平衡位置發生渦動。由于油膜支承著軸頸，因此發生油膜渦動時，油膜會出現不穩定或遭到破壞，最終引發共振，即油膜振蕩。主要故障特征：轉速增加時，振幅不會隨之下降，當轉速降到2 倍臨界轉速以下時，出現停止現象；軸心渦動方向同轉子旋轉方向一致；軸心軌跡變化范圍增大且呈呈紊亂現象[4]。

（2）蒸汽激勵振蕩產生的原因是由于靜子變形，或者轉子發生彎曲，導致汽輪機轉子與靜子間的徑向間隙發生偏差，產生一個切向力，使得轉子渦動，最終造成蒸汽激勵振蕩。主要故障特征：容易在高壓轉子上發生；軸心軌跡為橢圓；頻帶寬，振動出現的概率高；正向渦動，頻率為0.6×～0.9×。

2.4 轉子中心不對中

（1）聯軸器不對中。聯軸器不對中包括組合不對中、角度不對中和平行不對中。其中，平行不對中引發的振動頻率為轉子基頻的2 倍；角度不對中使轉子產生軸向基頻振動；組合不對中是上述兩種不對中的組合情況。聯軸器不對中的主要故障特征：振幅隨著負荷的増加而增大（平行不對中）；易引起工頻振動（角度不對中）；徑向和軸向聯軸器兩側相位差為180°（組合不對中）。

（2）軸承不對中。軸承不對中是因為軸承負荷不對中，導致軸承上下和左右位置出現偏差，造成轉子失穩。主要故障特征：徑向振動出現2×頻；軸承的油膜壓力變化成反方向；軸心運動軌跡為香蕉形；出現高次諧波；負荷變化時振動會發生改變。

2.5 轉子裂紋

（1）受熱應力的影響。熱應力的來源可能是因設備頻繁啟用，造成轉子啟停過程中產生過大的溫差變化，最終形成熱應力。

（2）應力集中。主要是因為轉子的材料、加工設計與安裝過程中出現錯誤操作。

（3）轉子受到腐蝕。蒸汽中帶有腐蝕性物質，轉子長期處于這種環境就會發生腐蝕現象。

由于轉子裂紋引發的故障特征見表2。

表2 轉子裂紋的故障特征

2.6 轉子的中心孔進油

轉子中心孔進油的原因有：①未及時清理殘余的油；②大軸端部的堵頭未擰實，形成內外壓差，造成潤滑油流進孔內。轉子中心孔進油，引發汽輪機異常振動的原因不明，目前主流觀點如下。

（1）中心孔內的油轉速低于轉軸，然后引發同步激振，最終產生差振動。

（2）中心孔內液體的離心力能夠分解出一個切向力，與渦動方向相同，當轉子轉速＞臨界值時，就會發生同步失穩。

（3）轉子內壁存在溫差，產生熱彎曲，引起振動加大。

無論上述哪種觀點正確，轉子中心孔進油引發振動的故障特征都是一樣的，即1×頻振幅值增大，易發生在新機調試階段或維修后。

2.7 墊鐵及臺板間隙

墊鐵與臺板之間、墊鐵與墊鐵之間存在間隙的主要原因是安裝過程中出現失誤。在汽輪機安裝過程中，由于墊鐵與放墊鐵的混泥土基礎或者與臺板之間，臺板與汽缸或軸承座之間的接觸面積不夠和接觸不密實，導致基礎臺板墊鐵走動或過高，增加了汽輪機組運行時的振動。為消除這類間隙，要對水泥基礎的平面進行處理，增加其與墊鐵的接觸面積，大于60%為宜；確保墊鐵加工精度符合規范；通過研磨措施解決間隙問題。

3 汽輪機運行振動的解決措施

3.1 重視汽輪機的安裝與檢修

汽輪機在安裝、檢修過程中，因操作不當，汽輪機在以后運行中發生異常振動的概率很大。這是因為工作人員的失誤可能會造成異步振動、轉子中心不對中、墊鐵與臺板存在間隙等現象。因此，為確保汽輪機正常運行，首先是在安裝過程中，找準汽輪機組的中心位置，切忌出現位移。其次是定期安排檢修工作，排查安全隱患，出現常見的故障特征，要立即采取緊急維修措施。最后是在安裝或檢修后必須進行試運行，當汽輪機各項指標都滿足使用需求且不出現故障特征時，方可移交生產或投入使用。汽輪機在運行過程中，若發生異常振動，必須及時找出原因，只有當振動控制在合理范圍后，才能繼續生產。此外，汽輪機在開始生產前，要先進行暖機，提高其在運行過程中的穩定性。

3.2 加強對汽輪機的振動監視

為確保汽輪機正常運轉，對汽輪機的振動監視工作必不可少，這是預防汽輪機異常振動的關鍵。例如，通過安裝軸承振動測量裝置、大軸振動測量裝置來檢測汽輪機振動情況。這類裝置能夠對汽輪機的振動情況產生反饋，當汽輪機振動頻率超過設定值時，裝置會發出警報，從而以最快速度通知維修人員進行搶修，必要時停機處理，防止機組損壞擴大。

3.3 利用傳感器加強對汽輪機的保護

一套完善的振動保護裝置包含多種傳感器，例如，位移傳感器、溫度傳感器、重力傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等。利用這些傳感器能夠組成監控系統、保護系統和信號報警系統，這些系統又組合在一起，成為保護汽輪機安全運行的重要設備。當汽輪機振動超過臨界值時，裝置能夠發出脈沖信號，實現主汽門的自動關閉，汽輪機的緊急停機。近年，隨著各行各業都在開展自動化控制，保護裝置對汽輪機的重要性不言而喻。因此，企業要加強對保護裝置自動化的研究力度，不斷提升保護動作的安全性和可靠性。

4 結語

振動現象普遍存在于汽輪機運行中且無法被消除，但應將振動控制在合理范圍內。若機組振動過大，會導致零部件松動，降低軸承與基座間的連接剛度，危急整個電力供汽系統，最終被迫停機。因此，工作人員要熟知汽輪機振動故障現象，及時找出振動原因，采取科學合理的手段來減小振動，確保汽輪機安全穩定運行。