周 軼，崔 野

中電投電力工程有限公司煙臺分公司，山東煙臺 265116

多年以來，國內(nèi)先后發(fā)生了數(shù)十起大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系斷裂災(zāi)難性事故，給國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。這些事故破壞程度一次比一次嚴(yán)重，原因越來越復(fù)雜。國內(nèi)外已發(fā)生的軸系斷裂事故表明，大都發(fā)生在機(jī)組嚴(yán)重超速事故中，其技術(shù)原因除超速產(chǎn)生的離心力、劇烈振動引起的破壞外，還與軸系連接件質(zhì)量不良有關(guān)。

對某些事故的原因與責(zé)任，當(dāng)時(shí)的專家調(diào)查組已有定論。而對事故斷軸的內(nèi)在起因、過程、機(jī)理，盡管現(xiàn)今的轉(zhuǎn)子動力學(xué)、振動力學(xué)、斷裂力學(xué)等以有的方法和研究結(jié)論可以局部的說明，但對于關(guān)鍵疑點(diǎn)，至今仍無法從學(xué)術(shù)和技術(shù)角度給出清晰、明確的解釋。

更為重要的是，類似上述的惡性事故至今仍在繼續(xù)發(fā)生。近一二十年來，日本關(guān)西省海南電站600mW機(jī)組、美國GE公司900mW機(jī)組（安裝在臺灣核三電站）以及其他一些國外大型機(jī)組，也相繼發(fā)生過類似的斷軸事故。

這些屢發(fā)的斷軸毀機(jī)事故以及更多存在的事故苗頭，對目前國內(nèi)太熟劇增的容量、高參數(shù)汽輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。防止和杜絕大型發(fā)電成套關(guān)鍵設(shè)備毀壞事故的重演，是一項(xiàng)重要的課題。

對國內(nèi)外這些事故的分析表明，事故原因主要有兩大類：材質(zhì)缺陷和振動。從發(fā)生是故事機(jī)組所處的工況統(tǒng)計(jì)，約有50%以上是在制造廠內(nèi)試車或進(jìn)行危急保安器超速試驗(yàn)過程中發(fā)生的，約30%是在啟動過程中發(fā)生的。

軸系惡性斷裂與機(jī)組一般的重大事故不同，它們會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不利的社會影響。根據(jù)現(xiàn)今技術(shù)的發(fā)展，可以斷言，這種事故是完全可以防范的。從設(shè)計(jì)制造方面提高大機(jī)組軸系的安全可靠性，從運(yùn)行方面強(qiáng)化有效的振動監(jiān)測手段，推行嚴(yán)格科學(xué)的設(shè)備檢修管理辦法，這對防止大機(jī)組軸系斷裂事故是非常有意義的。

1 振動狀態(tài)監(jiān)測和檢修方面的防范措施

1.1 加強(qiáng)振動狀態(tài)監(jiān)測

軸系斷裂惡性事故發(fā)生的兩大原因，一是振動，一是材質(zhì)。從現(xiàn)有的國內(nèi)外事故發(fā)生前后的記錄看，無論哪一種原因，斷軸發(fā)生前在振動上都有所反應(yīng)。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子部件強(qiáng)度或剛度的惡化要有一定的時(shí)間，軸承瓦蓋的松動、聯(lián)軸器螺栓或瓦蓋螺栓的損壞、轉(zhuǎn)軸裂紋的擴(kuò)展，都不會在數(shù)秒內(nèi)使轉(zhuǎn)子強(qiáng)度從完全正常的狀態(tài)發(fā)展到極限，這個(gè)發(fā)展過程有時(shí)會很長。從機(jī)組整體來看，在軸系毀壞后期過程中，多數(shù)部件的破壞可能較快，但事故前期造成起因的個(gè)別關(guān)鍵部件的狀況必定有一個(gè)緩慢變化的過程。

這里，葉片的斷裂應(yīng)該排除在外，它是突發(fā)性的，可以在事先毫無跡象的極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。但是，如果葉片斷裂后進(jìn)一步造成轉(zhuǎn)軸斷裂，這必定需要時(shí)間。

轉(zhuǎn)軸材質(zhì)缺陷造成的軸系斷裂事故也是如此。裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展同樣需要一個(gè)時(shí)間過程。這種情況對判斷機(jī)組——轉(zhuǎn)子狀態(tài)提供了有利的條件。由此，對大型機(jī)組的振動狀態(tài)監(jiān)測是保證機(jī)組安全，防止軸系斷裂事故發(fā)生的一條十分有效的措施。問題的關(guān)鍵是如何從事故發(fā)生前的蛛絲馬跡中及時(shí)準(zhǔn)確地做出判斷。為此應(yīng)該具備如下兩個(gè)基本條件：

1）完善的監(jiān)測系統(tǒng)。它應(yīng)該精確、快速、高效率地提供所需的大量數(shù)據(jù)；

2）具有根據(jù)振動現(xiàn)象對機(jī)組故障和狀態(tài)進(jìn)行分析判斷的知識和經(jīng)驗(yàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，第一個(gè)基本條件已經(jīng)具備，現(xiàn)代大型機(jī)組配備的振動監(jiān)測系統(tǒng)有些已經(jīng)能夠滿足要求。對于第二個(gè)條件，到目前為止，尚沒有非人工的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)。

1.2 檢查

定期對大軸、大軸內(nèi)孔、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)等部件進(jìn)行探傷檢查，以防止產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致軸系嚴(yán)重?fù)p壞事故。

1.3 檢修

對于今后的大容量汽輪發(fā)電機(jī)組，振動問題越來越重要。不僅在結(jié)構(gòu)上，在安裝和時(shí)運(yùn)方面也必須比以往更加注重振動問題。安裝過程中，必須保證有完善的軸承安裝實(shí)施措施，確保軸承的安裝與緊固；完善的動平衡措施；對于共振轉(zhuǎn)速和各臨界轉(zhuǎn)速，因該是先明確規(guī)定振動的上限和過大振動的應(yīng)急處理方法。

2 設(shè)計(jì)階段對軸系事故的防范原則

從防止大型機(jī)組軸系發(fā)生斷裂的角度出發(fā)，軸系動特性設(shè)計(jì)要求考慮軸系具有承受突發(fā)的大不平衡的能力，如葉片飛脫和大的扭矩；并且要求保證轉(zhuǎn)子相對剛提的長久對中。

軸系非線性振動的研究結(jié)果增加了對大容量汽輪機(jī)大不平衡引起的振動的理解，但尚有許多方面目前還沒有涉及到。對將來應(yīng)進(jìn)行的研究工作和研究結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用提出下述建議：

1）鑒于前面的原因，建議給予軸承設(shè)計(jì)與重要性相稱的重視；

2）還應(yīng)進(jìn)行同類內(nèi)容更廣泛的研究和分析，對現(xiàn)在所有的大容量汽輪發(fā)電機(jī)組上所采用的軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)，以向電力部門提供用各種現(xiàn)已采用的軸承結(jié)構(gòu)來避免機(jī)組發(fā)生大不平衡事故的知道方法；

3）應(yīng)進(jìn)行類似的分析來研究新的軸承設(shè)計(jì)，以最大限度地避免大不平衡事故，同事又滿足對現(xiàn)有設(shè)計(jì)有影響的其它實(shí)際限制條件。應(yīng)該檢驗(yàn)軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以及軸承結(jié)構(gòu)的支撐特性；

4）“重載”擠壓油膜阻尼器現(xiàn)在引起了廣泛的研究興趣。除了因汽輪機(jī)、壓氣機(jī)或風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中喪失葉片的事故而產(chǎn)生大不平衡情況外，這種阻尼器預(yù)期還能保持“潛伏狀態(tài)”，大的振動能自動激發(fā)這種阻尼器。為了評價(jià)擠壓油膜阻尼器能否更好地控制汽輪發(fā)電機(jī)組大不平衡引起的振動，應(yīng)該對這種阻尼器進(jìn)行分析；

5）在大不平衡緊急故障期間，應(yīng)該進(jìn)行分析和試驗(yàn)確定在軸承喪失其控制大不平衡引起的振動的正常能力以前，各種軸承結(jié)構(gòu)的承受能力究竟有多大？這對于可傾瓦徑向軸承是特別重要的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)視乎最有可能防止這類事故；

6）在大不平衡狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子跨距中間位置（兩軸承之間）的振動可以大到足以引起轉(zhuǎn)動和非轉(zhuǎn)動部件之間的嚴(yán)重沖擊和摩擦。在以后的非先行動力學(xué)分析中，應(yīng)包括這些因素，以確定嚴(yán)重摩擦和沖擊現(xiàn)象對振動水平的影響；

7）鑒于非線形動力學(xué)分析結(jié)果具有重要意義，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕蠈@類分析進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證是迫切希望的，也是很合理的。

3 結(jié)論

機(jī)組主、輔設(shè)備的保護(hù)裝置必須正常投入，已有振動監(jiān)測保護(hù)裝置的機(jī)組，振動超限跳機(jī)保護(hù)應(yīng)投入運(yùn)行；機(jī)組正常運(yùn)行瓦振、軸振應(yīng)達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良范圍，并注意監(jiān)視變化趨勢。

不合格的轉(zhuǎn)子禁止使用，已經(jīng)過主管部門批準(zhǔn)并投入運(yùn)行的有缺陷的轉(zhuǎn)子應(yīng)進(jìn)行技術(shù)評定，根據(jù)機(jī)組的具體情況、缺陷性質(zhì)制定運(yùn)行安全措施，并報(bào)主管部門審批后執(zhí)行。

[1]陸頌元.國產(chǎn)200mW汽輪發(fā)電機(jī)組振動穩(wěn)定性[J].電力技術(shù)，1992，2.

[2]張游祖.兩臺200mW機(jī)組斷軸事故分析[D].全國第二屆轉(zhuǎn)子動力學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集，1989.

[3]防止國產(chǎn)200mW機(jī)組軸系斷裂事故暫行措施[J].電力建設(shè)，1988 (10).

[4]陸頌元，汽輪發(fā)電機(jī)組大不平衡非線性振動與軸系事故[J].動力工程，1994，6.