25MW汽輪發電機組軸承振動原因分析及故障處理研究

陳斌

摘要：由于鍋爐的特性，較低的主進汽溫度導致汽輪機低壓段濕蒸汽擴大，運行在濕蒸汽區的汽輪機葉片級數較多，再者，垃圾焚燒鍋爐產汽量變化幅度也較大，故選擇低壓段抗水蝕能力強，變工況能力強的中壓凝汽式汽輪機。其工作原理和內部結構極其復雜，由于工況變化較大，難免存在一定的故障率，而且一旦發生故障，所產生的危害也是相當巨大的。所以，深入推進汽輪發電機組的故障診斷技術的研究是保持機組正常運行的重中之重。本文主要針對25MW汽輪發電機組軸承振動原因分析進行分析，首先在解析汽輪機組常見異常振動原因，然后結合實例分析25MW汽輪發電機組軸承振動原因和故障處理措施。

關鍵詞：25MW汽輪發電機組;軸承振動;原因分析;故障處理

對于轉動機械來說，機械振動是物體或質點在其平衡位置附近所作有規律的往復運動，只要是在運行狀態，振動就必然存在，振動幅度不超過規定標準的屬于正常振動。機組轉動中振幅比原有水平增大，特別是增大到超過允許標準值時就是異常振動。任何一種異常振動都潛伏著設備損壞的危險。比如軸系質量失去平衡（掉葉片、大軸彎曲、軸系中心變化等）、動靜磨擦、膨脹受阻、軸承磨損或軸承座松動，以及電磁力不平衡等等都會表現出振動增大，甚至強烈振動。必須加強對振動異常原因進行分析，并提出針對性措施。

1.汽輪機異常振動原因分析

汽輪機組異常振動是汽輪機常見故障中較為復雜的一種故障。由于機組的振動往往受多方面的影響，只要跟機本體有關的任何一個設備或介質都會是機組振動的原因，比如進汽參數、疏水、油溫、油質、等等。因此，針對汽輪機異常震動原因的分析就顯得尤為重要，只有查明原因才能對癥維修。針對導致汽輪機異常振動的各個原因分析是維修汽輪機異常振動的關鍵。

2.汽輪機組常見異常震動的分析與排除

總的來說，由于技術的日趨完善和機組制作工藝相對成熟，且經過現場試運行檢驗合格才投入運營，一般而言，設備本身的發生缺陷率相對較小，主要原因可以概括為以下兩大方面。

2.1 安裝因素分析

（1） 轉動部分平衡的不正確。

（2）汽輪機、發電機等對中不好。

（3）機組附屬轉動件，如調速器、主軸帶動的油泵、危急保安器等部件平衡的不好，安裝不良。

（4）受熱的機件安裝的不正確，在冷態安裝時沒有考慮它們熱態工作時的自由熱膨脹、熱變形，使得機件在受熱工作時不能自由膨脹而變得有些彎曲，破壞平衡。如各種軸在受熱無處膨脹時，將被頂彎，失掉平衡，造成振動;機殼受熱不能自由膨脹時，也會變形引起振動。

（5）某些機件配合尺寸不符合要求，如軸封片與軸頸配合間隙不對，配合過緊，則在受熱時軸頸與密封片相摩擦，引起振動。

（6）軸承有缺陷，如軸瓦巴氏合金脫層、龜裂;軸承與軸瓦安裝間隙不合適;瓦殼在軸承座中松動;軸承動態性能不好，發生半速渦動或油膜振蕩等，造成振動。

（7）機組基礎不符合要求或基礎下沉，都會使機組發生振動。

2.2 運行因素

（1）汽輪機汽缸保溫不良、在啟動前預熱的不充分或者不正確，因而造成蒸汽輪機在啟動時轉子處于彎曲狀態。

（2）固定在汽輪機轉子、聯軸器、變速器齒輪軸上的某些轉動零件松弛、變形或者位置移動，引起回轉體的重心位置改變加劇振動，如葉輪和軸結合松動、某些部分變形等。一些有嚴格重量要求的回轉零件，如聯軸器個別螺栓更換而又未做平衡試驗，也會破壞平衡，加劇振動。

（3）回轉部件的原有平衡被破壞，如葉片飛脫，葉片或葉輪腐蝕嚴重，葉輪破損，軸封損壞，葉片結垢，個別零件脫落，發電機轉子內冷水路局部堵塞，以及靜止部分與轉動部分發生摩擦等等。

（4）啟動前預熱不均勻，機殼產生變形，使機組內動靜部件間隙不均勻，甚至產生摩擦，引起振動。

（5）蒸汽管路或氣體管路對機組的作用力，使機組變形、移位;管路與機組聯接不合要求等等也都造成振動。

（6）軸承潤滑不夠或不適當，油泵工作不穩定，或者油膜不穩定。

（7）新蒸汽等運行參數與要求值偏差太大。新蒸汽參數偏差過大而末及時調整，使汽輪機部件熱膨脹及熱應力變化劇烈;汽壓、汽溫過低未及時采取措施;排汽缸溫度過高引起汽缸變形等等。

（8）機組運行轉速離實際臨界轉速太近、機組某部件的固有振動頻率等于或低倍于汽輪機運行頻率，使部件或汽輪機發生共振。

（9）汽輪機內部轉動部件與汽封偏心，產生蒸汽自激振蕩引起振動。

（10） 發電機電磁力不平衡引起振動。

3.25MW汽輪發電機組軸承振動原因分析及故障處理實證分析

3.1 工程概況

某公司廠2#汽輪發電機4#軸承自投產以來振動值一直較1#汽輪發電機軸承大，從今年的5月開始，振動開始惡化變大，到8月1日時，集控室遠程振動數值已接近跳機值（80um），已達到72.06um，且有繼續惡化直至需要停機處理的趨勢。現場手持振動儀測量垂直振動值為95um，水平為83um軸向為168um。振動明顯過大，通過對基礎臺板及軸承底座的測量發現。#4軸承座基礎臺板右側靠發電機處振動值達123um，離此處最近的軸承座地腳振動值為87um。

3.2 原因分析

（1）整理從現場測量的數據可以發現：#4軸承的振動值最大時（集控室遠程振動監控）72.06um，而同為一個軸系的相鄰#3軸承值只有20.1um。如軸系原因引起的振動，一條軸上的兩個支撐點的振動值應該趨于一致或接近。自此，可以排除軸系（轉子質量不平衡、軸系對中偏差大、動靜機械部件磨擦、套裝部件松動）的因素，可以鎖定#4軸承是振動源，其振動值較大，引起同一軸系的#3軸承振動稍大。

（2）現場測量，同樣的測量方向，臺板垂直測量的最大振動值（123um）>該處的軸承座底部振動值（87um）。分析是基礎發生了異常（此處所描述的基礎包括了混泥土堅硬層，墊鐵、二次灌漿層、臺板）。作為振動源（轉子旋轉形成的機械振動能傳導至軸承），振動傳遞路徑必然通過剛性介質，即：從轉子→軸瓦→軸瓦支撐體→軸承座→臺板→二次灌漿層→墊鐵→混凝土堅硬層，正常的振動值應該是逐步遞減的一個過程。如果基礎不牢，則振動值應該是從“轉子→...→臺板...→混凝土堅硬層”這個傳遞路徑上各處分別逐步放大，且可能從混凝土堅硬層逆方向傳遞至轉子和軸瓦，其過程復雜，可能存在振動頻率上的一個對沖或自激振動作用，最終體現為該處軸承的振動值增大的現象。

（3）根據集控室監控結果分析，從2019年11月1日該處（#4軸承）的40um至2020年5月1日止的54um，振動值是非常緩慢逐漸上升的一個過程（升了14um，平均每月2.33um），之后振動值有加快的趨勢，到8月1日止，短短3個月時間上升至72.06um（升了20.06um，平均每月6.69um）。

再考慮到混凝土堅硬層的特性（堅固、脆性大、整體性強），因其灌注時是整體汽機平臺一次形成，且外觀無明顯裂紋，#4軸承振動雖然大，但是整體平穩，其余位置的振動在正常范圍內，故可以排除混凝土基礎層局部開裂或沉降的可能。

（4）排除混凝土基礎層后，對基礎中的墊鐵和二次灌漿層進行分析，二次灌漿層的作用之一是固定墊鐵（可調墊鐵的活動部分不能澆固），另一作用是可以承受設備的部分負荷。二次灌漿和墊鐵的作用不同，但都不可缺少，墊鐵承受設備的豎向（垂直）荷載，而二次灌漿層卻主要承受設備運行震動時的水平向荷載，對設備及墊鐵起固定作用。結合之前停機檢查發現的情況（二次澆注料未能緊密結合臺板底部，存在較大的間隙）。是存在未按技術規范配置墊鐵（較大跨度的臺板，應在中間配置墊鐵），且二次澆注料不符合安裝工藝的情況，導致該臺板缺乏支撐，剛度不夠。

（5）汽輪發電機臺板是碳鋼材料，厚度為90mm。從金屬的特性可知，其具有較好的韌性和塑性，有一定的伸長率，具有良好的焊接性能和熱加工性。二廠#2汽輪發電機的#4軸承臺板有90mm厚，當發電機轉子作為主要載荷壓在該臺板時，理應通過墊鐵和二次灌漿層將載荷傳至堅實層基礎。如上圖所示，由于未在中間部分布置墊鐵，加上二次灌漿層在灌注時漏漿導致未填滿灌漿層。形成了臺板與堅實層基礎之間空包區域（長、寬均接近1600mm）。該段空包區域的臺板完全靠自身的屈服強度承受著發電機轉子的重量（轉子重約9T/2=4.5T，加上軸承支撐件總重約合為5T）。在剛投運時（2013年），其剛度足以支撐起該重量，振動值還在相對小的范圍。但在長期的施壓和機械振動的雙層作用下，臺板的鋼材彈性變形有了進一步惡化，從力學上分析，是加速破壞了（臺板支撐力和載荷之間）力的平衡，在初期的支撐力≧載荷，到2019年逐漸的變成支撐力<載荷，導致軸系的揚度和對中狀況變化，加上臺板鋼板無足夠的支撐形成的（微觀上的）抖動，令#4軸承處振動一直持續相對的穩定的上升。經粗略計算，兩者之間力的差距并不會太大（頂升臺板恢復至原始狀態--即2019年前狀態，所需的力在200N以內即可）。按2019年用墊鐵在臺板下方輕輕調整，臺板上架設的百分表顯示提高了0.008mm的經驗。給予后期采用在線處理提供了更多的選擇余地。

考慮到二廠#2汽輪發電機除了#4軸承因臺板剛度問題引起振動較大外，無其余問題。且目前二廠運行實際情況，如停#2汽機，則需停一臺爐，對生產安全運行及經濟效益有較大影響。研發部機務專業優先考慮進行在線處理振動大的隱患，對各種情況進行了反復推敲，主要是從安全和可行性方面考慮，一、臺板是碳鋼，不存在脆性較大的情況。二、如選擇高強度頂絲進行支撐起臺板，充分認識到，其頂升的力度應該設定在一個堅實層混凝土基礎可承受的范圍（該基礎混凝土標號為C50，即壓強，50MPa≤fcu，k<50MPa）。三、由于現場條件所限，無法在頂絲下方墊鐵塊以增加接觸面積，與混凝土接觸的面積（頂絲為φ16mm）雖然較小。但對基礎無任何破壞可能。

3.3 故障處理

采用在線降低二廠#2汽機#4軸承振動的方案。采取臺板上（最大振動點，就地實測123um）鉆一通孔，進行攻螺牙，配一高強度螺栓擰（φ16mm）至汽機混凝土堅硬層，令汽機#4軸承臺板通過高強度螺栓間接得到基礎支撐的方法，有效阻止振動狀況惡化，并有效改善振動值（分兩段時間調整，第一階段目標值是集控室遠程的72.06um降至56um左右。運行一個月穩定后實施第二階段，56um降至40um左右），以維持機組的安全運行。

通過實施該在線減震方案，#2汽輪發電機#4軸承振動值穩定控制在震動安全值內，且仍保有繼續對震動值進行更徹底的減震調整的手段。實施該在線減震方案既保障了公司主要設備的連續穩定運行，又避免了一次非計劃啟停機、爐操作，為公司合理安排年度檢修計劃，以及為公司完成年度生產運營任務創造了條件。

結論

在處理實際發生的振動異常問題時，如何正確采用對運行狀態的分析和振動的數值進行詳細測量，并有效分析，快速的排除其余可能產生誤判斷的因素，快速、準確、直接找出問題根源至關緊要，一來可以節省時間，二來能徹底解決隱患。

參考文獻

[1]李朋信.淺析汽輪發電機組勵磁小軸振動分析與處理[J].中國設備工程，2021（21）：24-25.

[2]鞏振泉，袁珍亮，曹偉，劉波，王博磊.異步汽輪發電機組不穩定振動故障的診斷與處理[J].電機技術，2021（05）：61-66.

[3]翁振宇.某汽輪發電機組軸系周期性振動波動的診斷與消除[J].汽輪機技術，2021，63（05）：382-384+338.