管道引起汽輪機振動故障的分析及處理

趙未佳

（中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516000 ）

0 引言

汽輪機是石油化工生產中利用清潔高溫、高壓蒸汽能源為介質驅動的重要的動力設備，也是提高效率，能量轉換的關鍵機組。汽輪機的良好運行對裝置的穩定生產和提升經濟效益至關重要汽輪機的動力介質來源于蒸汽鍋爐所生產的520 ℃、11.5 MPa的超高壓蒸汽，汽輪機的超高壓蒸汽入口管道與速關閥法蘭連接，速關閥與調節閥前后連接成為一個缸體，調節閥底部與汽輪機缸體螺栓緊固連接。超高壓蒸汽通過入口法蘭進入速關閥，再進入調節閥被控 制蒸汽流量，從而進入汽輪機缸體內推動轉子做功。汽封在缸體兩端頭和轉軸的平衡活塞均存在。因要對缸內超高壓蒸汽起到節流減壓密封作用，汽封處的配合間隙是轉子與缸體徑向間隙的最小位置，徑向軸瓦是支撐、定位汽機轉子的重要部件，軸瓦內與轉子配合，外與瓦枕配合。入口管道內的蒸汽，在各蒸汽通道部件的作用下進入缸內推動轉子，各蒸汽通道部件也承受著超高壓和高溫蒸汽的動能和熱能，即各部件的熱膨脹量、熱脹差、動力推移。任何超過允許的膨脹、脹差、推移量都可能給機組帶來嚴重傷害。

1 研究方法

文章以汽輪機的非驅端徑向軸瓦振動高高報警跳車事故為例。從汽輪機故障的發生到穩定運行，一步一步分析和處理汽輪機在超高壓蒸汽入口管道設計安裝不合理時，缸體被推移引起平衡活塞處的汽封碰擦，從而導致軸瓦處振動高高跳車原因。

2 故障與分析

2.1 入口管道對缸體的作用力

某廠新增項目上的23 MW汽輪機，作為發電機組的驅動機。在機組施工安裝完后，啟動機組做相關性能和安全的實驗階段，額定轉速時非驅動端徑向軸瓦高高報警引發機組跳車。檢查現場主要情況是前后貓抓處打的百分表的數據，前右側百分表的數值明顯大于前左側百分表的數值，如表1所示。同時在汽輪機運行過程中似乎聽到缸體內有一聲異響。

表1 汽輪機前后貓抓徑向百分表數值

檢查工藝操作流程，均按照已成熟使用的設備操作法，盤車、暖管、暖機、升速及實驗等。分析百分表的數值，不同數值說明了汽輪機缸體向前右偏移。拆開汽輪機兩速關閥處入口法蘭，發現往前右一邊推擠，嚴重不對中，法蘭螺栓無法正常取出。

檢查汽輪機蒸汽入口管道。因裝置開車以后，蒸汽鍋爐因負荷需要多增加了一臺，所以此臺汽輪機是隨蒸汽負荷新上機組，管線的安裝空間有限，管道設計彎折較多，從機前左側主路進氣至汽輪機底部后分兩路進入速關閥，而管道的固定只有豎直方向的彈簧吊架，水平方向則是自由量。這樣入口管道內的超高壓蒸汽在強大動能下沖擊管道，管道傳遞力矩到速關閥法蘭，整個橫向力在作用在缸體上，使其發生偏移[1]。

2.2 工頻突出

變更設計，重新安裝限位管道。在兩速關閥的下方中間加裝水平方向的限位架，抵抗超高壓蒸汽的動能，減弱沖擊汽輪機缸體力矩,重新對中復位入口管道法蘭。調整外缸下部的定位搭子，使前外汽封四周間隙均勻符合要求。復查機組軸對中狀態。完成機組所有檢修后，再次啟動汽輪機測試相關性能,隨著操作逐漸提高轉速，振動值也逐漸上升,最終在振動接近高跳車時手動拍停汽輪機[2]。

停機檢查，對比各貓抓處百分表的數據，缸體偏移量減小，主要差值是熱脹量，如表2所示,判斷入口管道的重新限位起了作用。但是,非驅端軸承箱里，轉軸前端的跳動值達到0.16 mm，軸前瓦附近有一定彎曲,同時啟機時掛的頻譜分析儀顯示汽輪機的一倍頻最高。這也是轉子彎曲或碰擦產生不平衡力的頻譜特征。

表2 汽輪機前后貓抓徑向百分表數值

由于受到沖擊和一些非線性因素的影響，出現了少量的分頻和高頻分量。倍頻也是在多轉速下均出現，說明整個汽輪機運行過程中，這一不平衡力一直存在。隨著轉速的升高，不平衡量加大。帶有少量的半倍頻，可能是前軸瓦油膜被轉軸前端彎曲度影響破壞而形成。綜合第一次啟機被忽略的一聲異響，汽輪機在第一次啟機的過程中可能受管線影響，缸體移動。轉子有與缸體碰擦至彎曲的可能[3]。

2.3 平衡活塞汽封磨損嚴重

為進一步確定汽輪機故障分析和解決方案,將汽輪機廠家技術人員請到廠區，檢查汽輪機現場的狀態和系統的運行數據。分析研討后，廠家技術人員給出的回復與機組人員分析基本一致,于是決定現場開缸檢查。

開缸后檢查汽輪機轉子、內缸、葉片、靜葉、汽封等狀態，發現動葉外環和內缸汽封，靜葉內環和轉子有輕微摩擦。但是平衡活塞處的汽封磨損嚴重,汽封片有部分已脫離，大多數已坍塌磨平,汽封處有發藍過熱的現象。再測整個轉子的彎曲度，在整個轉軸上從前到后多處安裝百分表，特別是轉子需要配合的地方,盤車打表數據結果顯示，前端的打表數值偏大。

經過廠家技術人員和機組各方人員再一次討論分析，轉子不能繼續使用。轉子在第一次啟機試驗時就因管道應力作用在缸體上，而缸體的反作用力不足以抵抗介質為超高壓蒸汽的管道應力，即產生缸體偏移，汽封碰磨。

在經過管道重新設計安裝，汽輪機缸體底部搭子螺栓調整，缸體和轉子恢復到同心對中后，嚴重損壞的汽封摩擦和轉子碰擦產生的軸彎曲度使第二次的啟機試驗再次失敗，非驅動端軸瓦振動持續上升超過報警值。

在這些研討分析下，轉子確定返廠維修。返修內容主要包含：一是內缸和轉軸上的汽封更換；二是重新調校轉子的彎曲度，需要符合技術要求；三是檢查轉子過熱部分是否對轉軸強度有影響；四是對整個轉子重新做動靜平衡[4]。

汽封碰擦情況如圖1所示。

圖1 汽封碰擦情況

3 結語

轉子和汽封修復后，重新回裝試車。汽輪機啟機至額定轉述，再到負載掛滿，非驅動端軸瓦處的振動一直處于范圍內。機組掛的頻譜分析儀顯示，頻譜峰值在通過臨界轉速后立刻下降，缸體四個貓爪的百分表數值差別不大，沒有發生偏移，汽輪機各項性能試驗也均完成，且連續帶負荷平穩運行超72 h。因此，這臺汽輪機振動高高報警跳車故障的檢維修工作完成。

此臺汽輪機發生前軸瓦振動高高跳車，但根本原因不再汽輪機本體，而是入口的超高壓蒸汽管道不合適的設計所產生的介質推力。在試車時管道推動汽輪機缸體。而缸體的反作用力不足以抵抗管道的推力，造成高壓段內缸的平衡活塞汽封偏移，與轉軸碰擦。高轉速下轉子汽封處的摩擦產生高溫過熱，碰擦也造成汽輪機轉子輕微彎曲。

汽輪機屬于關鍵的轉動設備，在超高壓蒸汽的介質作用下，轉子和缸體以及各蒸汽通道部件均承受著高溫高壓的熱脹力和動壓力。而轉子和缸體的配合較為精密，汽封處因節流降壓，配合間隙僅0.3～0.4 mm。因而整個缸體和轉子，包括軸承座允許承受不平衡力的限制非常嚴格。

在汽輪機機組管線設計中，最需要注意的地方就是必須滿足管系整體的柔性要求，以及汽輪機廠家提出的管口受力要求。在布置規劃時充分考慮廠房的空間結構特點，可以利用廠房的結構梁作支撐，限位管線熱脹力和動壓力，減小作用在汽輪機缸體上應力以達到廠家的技術要求。