聯合循環機組汽輪機液壓螺栓螺母脫落事件分析和處理

王慶韌， 甘 地

(廣東惠州天然氣發電有限公司 廣東省燃氣輪機發電工程技術研究中心， 廣東 惠州 516082)

某電廠一期工程3×390 MW級燃氣-蒸汽聯合循環機組(#1～#3機)采用單軸布置方式，轉子聯軸器通過螺栓和螺母剛性聯接，歷次檢修中均出現螺栓拆卸困難甚至咬傷以及螺孔拉毛等問題。基于煤電、核電、水電機組方面的經驗[1-5]，擬更改成液壓螺栓聯接。在二期工程3×460 MW級燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組(#4～#6機)建設中，聯軸器直接改用液壓螺栓聯接(全周共12孔，圖紙編號#1～#12)，投產2 年后出現了液壓螺栓螺母脫落導致軸承蓋振異常偏大事件。

查閱國內文獻，常規火電、核電、水電機組曾發生過聯軸器螺栓斷裂事故，但多為普通的螺栓與螺母聯接[6-9]；另外一些文獻雖然涉及液壓螺栓但為船用[10-12]。本次事件較為罕見：①發生于聯合循環機組；②發生于兩班制運行方式；③液壓螺栓并非斷裂而是螺母脫落。

1 事件發生

3×460 MW級聯合循環機組采用分軸布置形式，燃氣輪機及其發電機構成燃氣輪機發電機組，汽輪機和發電機構成汽輪發電機組。汽輪發電機組的軸系支承在6個軸承上。其中#1、#2軸承位于高、中壓缸(合缸)，#3、#4軸承位于低壓缸，#5、#6軸承位于發電機，每個軸承X、Y方向設置1 個軸振測點及1 個蓋振測點。

1.1 蓋振大報警發生

某機組在較長時期的連續運行后按計劃改為兩班制運行，汽輪機在啟動過程中沖轉至2 936 r/min時控制系統發出#3、#4軸承蓋振大報警。

1.2 振動特征分析

查看實時振動曲線，#3軸承蓋振由25 μm快速增大至96 μm，#3X軸振由28 μm快速增至83 μm，#3Y軸振由20 μm增至27 μm；#4軸承蓋振由19 μm快速增至83 μm，#4X軸振由23 μm增至55 μm，#4Y軸振由15 μm增至28 μm。#5、#6軸承軸振均有增大，但增幅沒有#3、#4軸承軸振的增幅大。

1.3 振動趨勢分析

提取相關運行參數形成散點圖，對比發現#3、#4軸承蓋振大幅增大，DCS顯示值已達100 μm，邏輯中該類測點的測量上限為100 μm，故當時實際蓋振數值可能已超過100 μm；#1、#2、#5軸承的蓋振雖絕對數值很小，但與以往相比，有1倍以上的增幅；#3～#5軸承軸振明顯增大。

1.4 振動真實性判斷

因為各軸承蓋振與軸振幾乎同步發生異常，所以初步判斷振動是真實發生的，不是熱工測量故障引起的。

1.5 振動真實性確認

因為振動上升至一定高點后基本維持在穩定狀態，未到達跳機值，加之電網負荷需求大，所以沒有立即停機。其間，用便攜式測振儀測量，確認振動異常偏大是真實發生的。

2 原因排查

2.1 初步排查分析

基于經驗，振動異常上升，常常預示著以下情形[13-24]：汽缸內部出現異常，如大軸彎曲、部件脫落、動靜部件間碰磨、氣流激振；軸承自身發生故障，如軸承座剛性及基礎變差、聯軸器螺栓與軸承壓蓋的緊力間隙出現問題激發了油膜振蕩；外圍設備設施出現了影響汽缸及軸承自身功能完整性的重大不利因素。因此，在機組運行狀態下，緊急進行了初步排查。

1) 檢查外圍設備設施，如汽輪機及相應發電機等設備基礎的沉降情況，汽輪機及相應發電機等設備基座支撐情況，與汽輪機相連的汽水管道、閥門、支吊架，等。結果均未發現異常。

2) 排查軸承自身故障。因為各個軸承的振動均有增大，軸承本身同時出現故障的概率極小。檢查各個軸承的進、回油(潤滑油)溫度，均正常，因此第一時間排除了油膜振蕩原因。檢查各軸承外部設施，未發現異常。

3) 排查汽缸內部。走近汽輪機小間，明顯聽到低壓缸內部以及凝汽器內部的上方有顯著異響聲，似乎是發生了汽阻，引發了類似于風機喘振的現象。其中，低壓缸內部以及凝汽器內部的上方靠近#4軸承的區域異響聲最大，手感振動也最大，因此初步懷疑發生了汽流激振。

4) 嘗試用聽針探查缸內有無部件松脫或碰磨聲，結果受異響聲妨礙聽不清楚，暫不能排除缸內部件脫落或動靜部件間發生碰磨的可能。

5) 核查大軸差脹、軸向位移等參數，均正常，說明大軸發生彎曲的可能性很低，除非有疏水閥之類的個別設備被誤打開而產生急冷，造成大軸彎曲。繼而排查各種疏水設備設施，未見異常，從而排除了大軸發生彎曲，降低了動靜部件間發生碰磨的可能性。

6) 動平衡數據分析。臨時安裝實時振動監測系統，提取實時數據發給燃氣輪機供應商診斷，未見相位有變化，說明軸系動平衡正常，這表明缸內發生較重的轉動部件松脫的可能性為零。

2.2 盤車狀態下的全面排查與分析

由于引發氣流激振的原因很多，如凝汽器內部各種噴水減溫噴頭斷裂、低壓缸內大量漏汽等。因此，需要在盤車運行狀態下采取相應檢查措施來進一步確認。

排查外圍設備設施包括低壓外缸的地腳螺栓、各軸承座地腳螺栓的緊固情況和#3、#4軸瓦的滑銷系統，均未發現異常。

排查軸承自身故障。盤車狀態下，汽缸內溫度仍然很高，軸承間隙、瓦枕接觸情況、聯軸器螺栓情況均無法深入檢查，只能繼續目視檢查，仍未發現異常。

打開低壓缸人孔門(觀察孔)與凝汽器人孔門進行外觀檢查，未發現蒸汽有內、外漏痕跡，噴水減溫噴頭無斷裂等異常現象。目視檢查低壓缸可見部分，未發現明顯的拉筋裂紋、支撐管脫焊等情況，末級葉片及葉根銷子也無異常，用小錘敲擊低壓內缸中分面螺栓，無松動。僅發現低壓下內缸與低壓下外缸連接螺栓墊片松動，經廠家確認為預留的膨脹間隙，對比#4機、#5機，初步判斷無影響。清理檢查凝汽器底部，無任何可疑脫落物，說明異物脫落砸傷凝汽器鈦管導致水汽泄漏、混雜引發汽阻甚至汽流激振的可能性基本排除。

用聽針探查各個軸承及汽缸內部，未發現異常跡象，但這也可能是機組轉速太低的緣故，所以還是無法徹底排除缸內部件發生脫落或動靜部件間發生碰磨的可能性，需要揭缸檢查確認。

為保險起見，打開低壓缸兩側人孔門，觀察平衡塊的位置，查看是否有平衡塊(指低壓轉子正、反第六級平衡塊)脫落或明顯松弛現象，結果顯示無異常，進一步排除了動平衡問題。

2.3 預判揭低壓缸檢查結果

盤車狀態下能做的檢查做完后，原因仍不能確定，需要等待盤車完全具備停止條件才能依次檢查下列項目：揭開軸承箱護罩檢查；揭開軸瓦檢查；揭開低壓缸檢查。

以上3個檢查項目在檢修工期與檢修組織安排上相差很大，所以在盤車尚未具備完全停止之前，預判低壓缸內部通流間隙的變化情況很有必要。

方法一，采用國內通行的低壓缸特征通流面積法[25-31]。以#6機汽輪機作為對比，以相近環境條件為基礎，按供熱連續運行及兩班制運行兩種方式分別計算，結果未發現異常。

方法二，采用燃氣輪機供應商推薦的汽缸進汽流量-進出口壓差算法。該計算方法更為精確。計算結果顯示#4機低壓缸通流部分未發生異常。

有鑒于此，決定按順序開展以上3個檢查項目，若前一個檢查項目仍未發現問題所在，則繼續下一個檢查項目。

2.4 停機檢修狀態下揭開軸承箱護罩檢查

當汽輪機高壓內缸調節級金屬溫度降至150 ℃以下時，停止盤車。

移開盤車裝置，揭開軸承箱護罩，發現汽輪機低-發聯軸器液壓螺栓的#3孔汽側螺母脫落。脫落的螺母直接撕開聯軸器護罩。護罩與脫落的螺母劇烈碰撞導致彼此受損嚴重，護罩中分面固定螺栓直接被拉斷(圖1)，護罩拉裂(圖2)，軸承箱內遍布鐵屑(圖3)，與脫落的螺母位于同側的聯軸器部分螺孔有損傷(圖4)，脫落螺母的螺栓也有損傷(圖5)。

圖1 拉斷的護罩底部固定螺栓

圖3 掉落的螺母和遍布軸承箱的鐵屑

圖4 受損的螺栓孔

圖5 脫落螺母的螺栓

2.5 事件原因分析

直接原因。通常液壓螺栓的螺母脫落后，會導致聯軸器質量失衡，使軸系動平衡出現問題，振動相位會發生明顯變化。本事件中因為液壓螺栓的螺母脫落后剛好卡在特定位置并未與聯軸器分開，所以質量失衡不明顯、軸系動平衡未有明顯惡化。通過排查分析，排除了大軸彎曲、缸內部件脫落或動靜部件碰磨、汽流激振、軸承故障等因素，綜合推斷液壓螺栓的螺母脫落是引發軸承蓋振大的直接原因。

間接原因。回顧基建安裝與調試過程，檢查機組計劃性檢修情況，從中發現2 個問題：①輕忽了基建與生產檢修過程中對液壓螺栓的施工質量把控；②對液壓螺栓的到貨質量驗收、安裝與檢修施工工藝等技術標準掌握不夠。這些都影響了液壓螺栓的安全運行性能，是導致螺母脫落并引發軸承蓋振大的間接原因。

根本原因。借鑒文獻[32-35]并結合實際，本次液壓螺栓螺母脫落的根本原因主要聚焦于安裝工藝和設計制造，其次是兩班制運行方式。

1) 安裝工藝。該液壓螺栓由錐套、螺桿、螺母組成。錐套的內表面和螺桿的外表面制成相同的錐面，施加軸向力后，螺桿在錐套內移動，使錐套徑向膨脹；移動到設計位置后，去掉高壓油，錐套膨脹緊壓在螺孔內；拉伸螺桿到標準長度，旋緊兩側螺母，利用螺母與聯軸器表面的摩擦力和螺孔與液壓螺栓之間的剪切力來傳遞扭矩。據上次檢修記錄，該螺栓有符合標準的伸長量，可以排除漏緊的可能性；因為#3液壓螺栓可能為安裝時預緊的第一個螺栓，在全周螺栓緊固完成后，該螺栓緊力減小，從而發生一定的松弛現象，長時間運行后，螺母飛脫；液壓螺栓安裝工具中的拉環(預緊環)和油缸(液壓拉伸器)之間沒有定位結構，拉環可能和螺母接觸并產生干涉并在加壓后卡住，因此，可能存在螺母和拉環卡住，但操作人員沒有察覺從而誤判螺母已經預緊到位，長時間運行后該螺栓松弛，螺母飛脫。

2) 設計制造。對比同期進行的#5機檢修，其聯軸器液壓螺栓有11顆無法正常拆出。強行拆出后出現了螺栓孔拉毛，需鉸孔處理。仔細檢查發現，該液壓螺栓存在以下問題：①錐套的壁厚過于單薄，僅約2 mm，其自身強度過低，更容易變形。假設螺栓孔的圓度為0.02 mm、錐套的圓度也是0.02 mm，此時錐套與螺栓孔的間隙就與設定值存在0.04 mm的最大偏差，因此，從圓周來看，脹緊后錐面的接觸應力是不均勻的。使用注油法拆卸時，油液肯定會從應力小的地方率先滲透出去。同樣大的脹緊力，壁厚越厚的錐套，變形消耗的力越大，因此錐套與螺栓孔之間的應力就越小，從而螺栓孔與錐套的圓度誤差帶來的應力不均勻度就越小，注油法拆卸的成功率就更高。②間隙及脹緊力不合理。該型液壓螺栓給定的裝配間隙為0.02～0.05 mm。螺栓孔與錐套本身都存在加工誤差，如果螺孔之間還存在錯位，此時就十分難裝配。并且，此型液壓螺栓給定的脹緊壓力范圍大(19.6～37.5 MPa)，每0.01 mm的增量對應的脹緊壓力就大幅度上升，因為測量誤差的存在，導致脹緊力不易受控，可能存在較大的誤差。③該型號液壓螺栓與拉桿采用的是直螺紋連接，并且把注油法拆卸的接口做在拉桿上。這樣旋合螺紋就需要旋轉所有旋合牙數的圈數，并且注油法拆卸需要一定的預緊力，拉桿與螺栓容易卡住。如果采用錐螺紋，旋轉的圈數不僅減少，還能保證螺栓危險截面的強度。

3) 兩班制運行方式。二期工程竣工投產后，受階段性供熱負荷所限，通常2 臺機組兩班制運行、1 臺機組供熱連續運行，3 臺機組在兩班制運行方式與供熱連續運行方式之間進行定期或不定期輪換，以實現優化和靈活調度并提高電力市場現貨交易模式下的企業效益。這種兩班制運行方式加劇了液壓螺栓的應力松弛，是液壓螺栓螺母脫落并引發軸承蓋振大的次要原因。

3 事件處理

3.1 處理方案

因為時間上不允許，暫不考慮對液壓螺栓設計制造方面進行技術改進，主要針對安裝工藝進行改進并對脫落的螺栓進行更換。

對振動偏高的#3、#4軸承揭開軸瓦檢查。對相鄰的#5軸承進行預防性的揭開軸瓦檢查。

3.2 檢查軸瓦

為防止軸振偏大造成軸瓦烏金產生隱性裂紋，對上述軸承的瓦塊進行滲透檢查和超聲波檢查。對軸瓦的頂隙、緊力、側隙等數據進行復核。對損傷的螺孔進行打磨圓滑過渡處理。檢查完畢后，將軸瓦回裝到位。

3.3 新螺栓安裝

安裝前檢查#3孔徑，實測值為54.48～54.49 mm，錐套加工尺寸為54.45 mm，間隙為0.03～0.04 mm，符合廠家技術標準。

安裝時按照圖紙要求錐套緊力為31 MPa，實際上次新螺栓以螺桿不能轉動為準，初次緊力為30 MPa，然后增加10 MPa，進行第二脹緊，實際緊力為40 MPa，螺桿拉伸力相應增加到77 MPa(圖紙要求75 MPa)。

3.4 螺栓配重

核對技術要求，各組螺栓重量差不大于3 g。

3.5 螺栓伸長量復查

為了保證所有液壓螺栓都在受力狀態，不會再出現脫落的情況，本次對所有螺栓進行了液壓拉伸復查，保證最終所有螺栓緊力均為77 MPa。

3.6 油沖洗

由于液壓螺栓的螺母脫落并與聯軸器護罩碰磨出較多的鐵屑，因此對汽輪機潤滑油、頂軸油系統進行放油、清理，更換油濾，然后對所有軸瓦加裝沖洗濾網進行大流量沖洗。

3.7 處理效果驗證

檢修完成后，重新開啟機組，進行試運行及燃燒調整，軸振、蓋振均在合格范圍內。

后面，利用機組自然調停機會，復檢液壓螺栓，情況良好。

4 改進建議

4.1 安裝工藝改進及預防措施

1) 將安裝工序控制要求列入基建期安裝工程施工以及生產期檢修工作技術交底內容中。

2) 加大對一線工程施工人員、檢修人員的技能培訓。

3) 加強基建期安裝工程施工以及生產期檢修工作的全過程質量控制與驗收。

4.2 產品設計制造改進建議

1) 安裝前按技術要求處理螺栓孔。

2) 拉桿與螺栓采用錐螺紋連接。

3) 設計防松結構。

4) 適當增加錐套厚度。

5) 重新設計裝配間隙和緊力。

4.3 進一步提升事件排查的效率與準確性

影響軸系振動的原因眾多而繁雜，事件排查過程中需不斷修正某些判斷方向、澄清某些現象。排查過程中應注意實施多方向、多點測量。

5 結語

檢修后的長期運行表明，液壓螺栓的螺母脫落并卡在特定位置是引發軸承蓋振大的初始原因和直接原因。因此，嚴格把控液壓螺栓緊力尤為重要。

期望本文能為采用同類液壓螺栓的機組提供借鑒，建議開展必要的預防性檢查。