汪杰斌，楊峰

(1.國投宣城發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 宣城 242052;2.中電國際蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241009)

0 引言

某發(fā)電公司#14機組是由上海汽輪機廠制造的N125－13.24/535/535 B151型超高壓、中間再熱、雙缸、雙排汽、凝汽式汽輪機，機組軸承臨界轉(zhuǎn)速:一階為1200 r/min;二階為1900～2100 r/min，發(fā)電機一階臨界轉(zhuǎn)速為1400 r/min。軸承振動許可值:在額定轉(zhuǎn)速運行時，振動值不超過0.05 mm;在臨界轉(zhuǎn)速運行時，振動值不超過0.10 mm。軸振許可值:報警值165 μm，跳機值260 μm。機組于1997年投入商業(yè)運行，在2002年12月12日鍋爐臨時檢修結(jié)束后，汽輪機按冷態(tài)啟動規(guī)程要求啟動，在并網(wǎng)帶初負荷暖機過程中，高中壓轉(zhuǎn)子的支承軸承和低壓轉(zhuǎn)子前端軸承的軸振逐漸攀升，#2軸承的軸振先期達到跳機值(260 μm)，致使機組振動保護動作。隨后進行了近10次沖轉(zhuǎn)試驗并在低壓轉(zhuǎn)子上進行了加重試驗，均未成功。12月18日，機組轉(zhuǎn)為大修揭缸檢查階段，在檢查中發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了永久變形，現(xiàn)場實測高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處的彎曲值達225μm。

1 機組啟動及事故發(fā)生過程

某發(fā)電公司#14鍋爐臨時檢修結(jié)束:2002－12－12 T 01:05，鍋爐點火;03:42，汽機沖轉(zhuǎn)并相應(yīng)投入汽缸夾層和法蘭螺栓加熱裝置;04:48，滿速;04:56，并網(wǎng)。

05:45，投運高溫軸封汽，汽封母管壓力為0.057 MPa，投運高溫軸封汽，汽封母管壓力和溫度均升高。05:46—06:03，期間汽封母管平均壓力為0.075 MPa。06:03，汽封母管壓力開始下降，06:06—06:23，汽封母管壓力約為0.065MPa，汽封母管汽溫繼續(xù)升高。

06:23，增大高溫軸封蒸汽量汽封母管壓力升高。06:25—06:35，汽封母管壓力約為 0.083 MPa。06:34，汽封母管壓力持續(xù)升高，06:46，壓力達到0.104 MPa，溫度達到 300 ℃。

06:32，#1～#4軸承的軸振開始上升，#1，#3軸承的軸振開始上升，其后#2，#4軸承的軸振跟隨增大，增大速率以#2，#3軸承為大。因#1軸承振動的基礎(chǔ)值較大，06:40，#1軸承的軸振超過報警值165 μm。06:57，#2軸承的軸振超過#1軸承并繼續(xù)呈增長態(tài)勢。

06:40，#2 瓦軸振動大報警(165 μm)，06:50，#1瓦軸振動大報警(165 μm)。運行人員就地檢查#1瓦軸向振動85 μm，水平方向振動62 μm，垂直方向振動58 μm;#2瓦軸向振動51 μm，水平方向振動63 μm，垂直方向振動53 μm。此時高壓缸差脹3.75 mm，絕對膨脹 9.12 mm，軸向位移 －0.47 mm，真空度為 89.23 kPa。隨后#2瓦軸振逐漸增大，07:23:48，#2瓦軸振達保護動作值跳機(260 μm)。

07:30，當機組轉(zhuǎn)速惰走至1069 r/min時，再次進行沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速升至1380 r/min時發(fā)現(xiàn)高壓缸排汽逆止門未打開，打閘停機并手動開啟高壓缸排汽逆止門。

07:35，轉(zhuǎn)速降至669r/min時第3次沖轉(zhuǎn)，#2，#3瓦軸振迅速增加，轉(zhuǎn)速升至1150 r/min時，振動大打閘停機。08:00，轉(zhuǎn)子靜止，投盤車后測得的大軸晃動值為110μm;08:22，測得的大軸晃動值為25μm。

09:11，機組第4次沖轉(zhuǎn)，在測量轉(zhuǎn)子撓度為25 μm的情況下，以機組熱態(tài)啟動方式再度沖轉(zhuǎn)。在500 r/min處停留檢查約45 s。轉(zhuǎn)速升至1512 r/min時，#2軸承的軸振快速增大，轉(zhuǎn)速升至1610 r/min時，#1軸承的軸振以更快的速度增大，09:17:11，#1軸承的軸振達到326 μm，打閘停機。在此過程中，#3軸承的振動不大。

10:48，機組第5次沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)子撓度為50 μm。再次沖轉(zhuǎn)，在485～500 r/min間停留檢查，用時340 s。其后用時近4 min轉(zhuǎn)速升至1381 r/min并在1400 r/min(發(fā)電機一階臨界轉(zhuǎn)速)附近停留近5 min。11:04:20，轉(zhuǎn)速由 1323 r/min升至 1673 r/min，因#2，#1軸承振動大而打閘停機。11:23:00，轉(zhuǎn)子靜止，測得的大軸晃動值為60μm。對#1軸承和發(fā)電機平衡塊進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)問題。

19:09，機組第6次沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速維持在500～800 r/min，暖機2 h。21:15，當轉(zhuǎn)速升至1500 r/min時，因#1，#2軸承的振動過大而打閘停機;21:35，測得的大軸晃動值為45 μm。

21:46，機組第7次沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速升至1560 r/min，#2瓦軸振過大而打閘停機。22:14，測得的大軸晃動值為62 μm;23:40，測得的大軸晃動值為55 μm。

2 現(xiàn)場振動的測試及處理

#14機組經(jīng)多次啟動，均以振動大而失敗。為此，作者對機組幾次啟動中各瓦的振動情況進行了解并在現(xiàn)場查閱了相關(guān)的參數(shù)，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常，只是大軸晃動值較初始值有較大幅度增加(初始值為20 ～30 μm，現(xiàn)為50 ～60 μm)。經(jīng)協(xié)商后決定再次啟動機組，監(jiān)測各瓦軸振和軸承座振動以獲得更多的原始數(shù)據(jù)，便于對振動故障進行診斷，同時嚴格控制振動指標以確保機組安全。

2002－12－13 T 12:38，機組進行了第8次沖轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)速升至1400 r/min時，#1，#2瓦軸振及軸承座振動增加趨勢明顯，隨即降轉(zhuǎn)速至1100 r/min。各瓦軸振情況見表1。

穩(wěn)定30 min后再次升速，#2瓦軸振增加至220 μm，打閘停機。在機組啟動過程中，#1，#2瓦軸振波德圖如圖1、圖2所示。

由測試數(shù)據(jù)分析可知，高中壓轉(zhuǎn)子存在較大的不平衡量。在現(xiàn)場高中壓轉(zhuǎn)子不具備加重條件的情況下，試圖通過在低壓轉(zhuǎn)子上加重來平衡掉高中壓轉(zhuǎn)子上的部分不平衡量，以解決機組啟動中#1，#2瓦軸振的問題。在低壓轉(zhuǎn)子增加質(zhì)量2800 g，機組再次啟動，轉(zhuǎn)速升至1500 r/min時，#2瓦軸振即達220 μm，打閘停機，所做的努力失敗。

比較試增加質(zhì)量前、后機組啟動數(shù)據(jù)，#1，#2瓦軸振幅值、相位基本無變化，說明在低壓轉(zhuǎn)子增加質(zhì)量不能解決機組#1，#2瓦振動的問題。建議揭開高中壓缸進行全面檢查。

3 揭缸后的檢查情況

解體后檢查發(fā)現(xiàn)，高中壓缸前汽封磨損嚴重，方位主要在擴側(cè)(即車頭左側(cè))的上部，部分梳齒有磨碎、倒齒現(xiàn)象，彈簧片失去彈性，致使汽封塊脹死。調(diào)節(jié)級和1～12壓力級的整圈圍帶與阻汽片發(fā)生嚴重磨損，徑向間隙大于1 mm，部分圍帶出現(xiàn)縫隙。13～17壓力級也有磨損，其中，15壓力級和16壓力級葉片圍帶磨損較重，葉片圍帶磨痕最大深度達到1 mm。轉(zhuǎn)子上無明顯水跡，對應(yīng)高中壓缸前汽封段轉(zhuǎn)子上有呈扇形分布的較重磨痕，磨痕中心位于高中壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器(對輪)#3～#5螺栓孔之間。

此外，解體檢查發(fā)現(xiàn)，中壓內(nèi)缸擴側(cè)(車頭左側(cè))第1法蘭盤螺栓孔被吹損且錐形墊圈下半部分也被吹損;高中壓內(nèi)缸橫向法蘭盤面分別向兩側(cè)揚起，說明高中壓內(nèi)缸存在較大的內(nèi)張口，但在中分面上未見蒸汽吹蝕痕跡。

對高中壓轉(zhuǎn)子的彎曲值進行了測量，發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子已經(jīng)產(chǎn)生永久彎曲，最大彎曲在過橋汽封處，達225 μm。

表1 1100 r/min和1400 r/min時的振動情況

4 高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彎曲的原因分析

4.1 振動的產(chǎn)生

2002－12－12 T 06:00，機組負荷一直維持在7.5～10.0MW，06:35，#1，#2，#3瓦軸振逐漸增加，各瓦軸振增加趨勢如圖3所示。

圖3 #1，#2，#3瓦軸振隨時間的變化趨勢圖(2002－12－12)

從圖3可以看出，#2瓦軸振的增加是一個緩慢的過程，軸振從正常值(100 μm)增至跳機值(260 μm)經(jīng)過了50 min。#3瓦振動特征基本與#2瓦相符。#1瓦振動增加至200 μm后有好轉(zhuǎn)的趨勢并逐漸下降。作者分析認為，對于汽輪機轉(zhuǎn)子而言，這種隨時間而發(fā)生振動變化的現(xiàn)象主要是由于溫差使轉(zhuǎn)子或汽缸產(chǎn)生局部變形，造成動、靜間隙消失，從而使振動增加。此時的碰磨程度并不嚴重，#1瓦軸振在增加到一定幅度后有明顯下降的趨勢。

為此，作者調(diào)閱了分散控制系統(tǒng)(DCS)上的所有相關(guān)參數(shù)，其中包括主汽溫、再熱汽溫、高缸差脹、絕對膨脹、軸向位移、潤滑油溫、各級抽汽溫度、凝汽器水位、除氧器水位、汽包水位、加熱器水位以及排汽溫度等，皆沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常。應(yīng)該說運行未發(fā)生明顯誤操作，基本排除進冷汽、冷水的可能。06:23，汽封母管蒸汽溫度持續(xù)升高，振動變化前汽封母管壓力升高和軸封加熱器真空度下降，有可能產(chǎn)生軸封汽外泄，造成軸承座和轉(zhuǎn)子的熱狀態(tài)改變，縮小轉(zhuǎn)子的動、靜間隙和引發(fā)轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定彎曲，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動、靜碰磨和振動增大。

4.2 摩擦加劇的過程

2002－12－12 T 07:23:48，因#2瓦軸振大保護動作跳機，轉(zhuǎn)速降至1069 r/min時，再次啟動，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 再次啟動過程中的振動

從圖4中可以看出，跳閘后，#1，#2瓦軸振隨轉(zhuǎn)速同步迅速下降，說明此時的碰摩程度并不嚴重或摩擦主要部位不在軸頸表面。轉(zhuǎn)速降至1069 r/min時，再次升速，此時#1，#2軸振隨轉(zhuǎn)速顯著增加，特別是#1瓦軸振在機組打閘后仍持續(xù)增加，一直到轉(zhuǎn)速降至600 r/min以下時，#1瓦軸振達到最大值260 μm左右。這一過程為摩擦加劇的過程，此時的摩擦部位仍在軸表面，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲，彎曲使摩擦加劇，同時摩擦使轉(zhuǎn)子又產(chǎn)生了更大的彎曲。07:35，在進行第3次沖轉(zhuǎn)時，#1瓦軸振動值仍在200 μm以上，從圖4中可以看出，因振動幅度大而停機后，#1，#2瓦軸振動隨轉(zhuǎn)速的下降而上升，直到轉(zhuǎn)速下降到300 r/min左右時#1瓦軸振才開始回落。因此可以說，此次沖轉(zhuǎn)過程可能使轉(zhuǎn)子的暫時彎曲轉(zhuǎn)變成永久彎曲。

4.3 轉(zhuǎn)子的材料組織穩(wěn)定性差是造成高中壓轉(zhuǎn)子彎曲的主要原因

該機組于1997年3月投入運行，1998年5月第1次大修時，檢修人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的靜態(tài)彎曲值較同類型機組明顯偏大且是一個變化的量，這說明轉(zhuǎn)子的材料組織穩(wěn)定性較差。在轉(zhuǎn)子返廠修理時，上海汽輪機有限公司在對高中壓轉(zhuǎn)子進行熱穩(wěn)定處理前，實測晃動為570 μm，待熱穩(wěn)定結(jié)束后，復(fù)測晃動僅170 μm(彎曲85 μm)，說明該轉(zhuǎn)子存在較大的內(nèi)應(yīng)力，在直軸過程中，第1次釋放內(nèi)應(yīng)力，就使轉(zhuǎn)子彎曲由285μm減小為85μm，這在上海汽輪機有限公司直軸史上極為罕見，一般直軸第1次釋放內(nèi)應(yīng)力，可使轉(zhuǎn)子彎曲減少1/3，直軸一般要經(jīng)過四五次內(nèi)應(yīng)力釋放，才能滿足軸的彎曲小于0.03 mm的預(yù)定要求。從檢查轉(zhuǎn)子磨損范圍來看，應(yīng)該是轉(zhuǎn)子局部彎曲處發(fā)生碰摩，而非其他葉輪多處頂部圍帶也碰摩。因此，此次轉(zhuǎn)子彎曲與轉(zhuǎn)子材料組織的穩(wěn)定性差有一定關(guān)系。

4.4 高中壓轉(zhuǎn)子上存在較大的不平衡

之后的幾次啟動，轉(zhuǎn)速在1400～1600 r/min時，因#1，#2瓦軸振大而打閘停機。從測試的數(shù)據(jù)可以看出，#1，#2瓦軸振和軸承振動都是以一倍頻分量為主，#1，#2瓦振動相位基本同相且在普通強迫振動的條件下，高中壓轉(zhuǎn)子上已產(chǎn)生很大的一階不平衡分量。

4.5 振動及轉(zhuǎn)子彎曲原因分析

盡管引起汽輪機轉(zhuǎn)子振動變化的原因很多，但其對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、軸承潤滑油壓與油溫、轉(zhuǎn)子差脹、蒸汽參數(shù)與負荷等基本不變，在沒有發(fā)生突發(fā)性葉片斷裂等事故和存在可疑活動部件的運行工況下，轉(zhuǎn)子振動變化的原因只能是轉(zhuǎn)子彎曲變形產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。運行中轉(zhuǎn)子的彎曲變形主要是熱變形和轉(zhuǎn)子機械力學(xué)特性不均勻產(chǎn)生與熱有關(guān)的變形。轉(zhuǎn)子的熱變形有一種可能是液態(tài)介質(zhì)如水或油(中心孔進油)與轉(zhuǎn)子周向不均勻接觸，引起轉(zhuǎn)子局部冷卻;另一種可能是轉(zhuǎn)子動、靜碰磨，造成轉(zhuǎn)子局部發(fā)熱。例如:汽缸進水使低溫水與轉(zhuǎn)子高溫表面接觸，水吸熱冷卻轉(zhuǎn)子產(chǎn)生汽化，轉(zhuǎn)子局部冷卻收縮，使轉(zhuǎn)子以周向局部冷卻點為內(nèi)凹點產(chǎn)生彎曲。在發(fā)生汽缸進水時，水與轉(zhuǎn)子表面的蒸發(fā)換熱系數(shù)較大，因此，當轉(zhuǎn)子被水不均勻冷卻時，轉(zhuǎn)子振動的時滯很小，即在水與轉(zhuǎn)子接觸的很短時間內(nèi)可使振動快速增大。綜上所述，#14機組事故中振動發(fā)展較為緩慢，加熱器水位沒有高出許用極限，故轉(zhuǎn)子與水接觸的可能性非常小。機組沖轉(zhuǎn)和帶初負荷的時間較長，高中壓內(nèi)缸及法蘭的金屬溫度基本上高于300℃，高中壓外缸及法蘭溫度也高于250℃，汽封母管的蒸汽溫度在振動變化前已經(jīng)達到300℃，汽缸和汽封母管內(nèi)積水的可能性根本不存在。

轉(zhuǎn)子動、靜碰磨所引起的熱彎曲振動與轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性緊密相關(guān)，動、靜碰磨發(fā)生在一階臨界轉(zhuǎn)速前、后，所表現(xiàn)出來的振動變化的大小是不同的。由轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論可知，轉(zhuǎn)子振動的位移滯后于質(zhì)量不平衡，滯后角的大小決定于運行轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速的比。當運行轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速時，振動位移與質(zhì)量不平衡點的滯后角小于90°，運行轉(zhuǎn)速遠低于一階臨界轉(zhuǎn)速時，滯后角接近0;當運行轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速時，振動位移與質(zhì)量不平衡的滯后角大于90°，運行轉(zhuǎn)速遠高于一階臨界轉(zhuǎn)速時，滯后角接近 180°。

對于N125－13.24/535/535 B151型汽輪機的高中壓轉(zhuǎn)子而言，額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子動力學(xué)彎曲變形主要是一階振型，彎曲分布接近于半個正弦波，轉(zhuǎn)子以此形狀作弓狀旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的動、靜碰磨，主要發(fā)生于動力學(xué)彎曲波峰平面內(nèi)。由于高中壓轉(zhuǎn)子一階振型的彎曲波峰位于過橋汽封處，故該處發(fā)生碰磨的可能性最大。

轉(zhuǎn)子發(fā)生動、靜碰磨后，碰磨點處產(chǎn)生大量的摩擦熱，轉(zhuǎn)子材料局部加熱膨脹，形成以碰磨點為凸起點的熱彎曲，從而引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡分布的變化。同時，碰磨點處產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，碰磨嚴重時其熱應(yīng)力超過材料的彈性極限，在轉(zhuǎn)子冷態(tài)穩(wěn)定后，產(chǎn)生以碰磨點為凹點的永久彎曲變形。

對于轉(zhuǎn)子動、靜碰磨而言，可能是轉(zhuǎn)子變形(振動變形或熱不均勻變形)碰撞靜止部件，即轉(zhuǎn)子碰靜子;也可能是靜止部件變形造成動、靜間隙減小引起碰磨，即靜子碰轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速下運行2 h，在沒有發(fā)生葉片斷裂和旋轉(zhuǎn)部件松動的情況下，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡基本不變，即轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡振動產(chǎn)生的撓曲不會變化。在振動發(fā)生、發(fā)展時，機組負荷和主蒸汽及再熱蒸汽參數(shù)基本不變，高壓加熱器水位、汽缸膨脹和轉(zhuǎn)子差脹、汽缸和法蘭金屬溫度等基本正常，在排除汽缸變形情況下，引起高中壓轉(zhuǎn)子振動惡化的可疑因素是由轉(zhuǎn)子機械力學(xué)特性熱不穩(wěn)定性、汽封母管蒸汽溫度過高和汽封母管及軸封器蒸汽壓力偏大造成的。綜上所述，在一階臨界轉(zhuǎn)速之上發(fā)生動、靜碰磨時，會產(chǎn)生振動周期性變化，#1，#2軸承的軸振持續(xù)緩慢增長，顯示出轉(zhuǎn)子在碰磨中的主動性。鑒于該機組歷史上存在著汽封供汽切換時引起軸承振動大幅波動、高中壓轉(zhuǎn)子彎曲有熱不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此，“12.12”事故中振動發(fā)生的誘因是汽封母管溫度過高，進而引起高中壓轉(zhuǎn)子熱不穩(wěn)定彎曲，由于轉(zhuǎn)子彎曲導(dǎo)致軸承振動增大。在汽封母管和軸封加熱器壓力升高時，有可能產(chǎn)生蒸汽外泄，引起軸承座受熱變形，轉(zhuǎn)子上抬造成轉(zhuǎn)子與上汽封碰磨。因高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處振幅(動態(tài)彎曲)最大，所以，在過橋汽封處最易產(chǎn)生動、靜碰磨。

5 結(jié)論

通過追蹤高中壓轉(zhuǎn)子彎曲事故發(fā)生、發(fā)展的全過程，全面審視各項操作和抄表記錄，研究、分析了振動變化誘發(fā)因素和運行操作的合理性與安全性，得出如下結(jié)論:

(1)在第1次振動保護動作跳機后，違反《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》的相關(guān)規(guī)定，沒有充分盤車釋放熱應(yīng)力產(chǎn)生的彎曲，在轉(zhuǎn)子熱彎曲較大、降速至1069r/min時直接沖轉(zhuǎn)，造成轉(zhuǎn)子彎曲進一步擴大，特別是在沖轉(zhuǎn)未果，在打閘停機后，高中壓轉(zhuǎn)子在低速下持續(xù)高位振動，加劇了轉(zhuǎn)子的碰磨彎曲，是造成高中壓轉(zhuǎn)子永久變形的直接原因。導(dǎo)致#14機組高中壓轉(zhuǎn)子彎曲事故的原因是高中壓轉(zhuǎn)子機械力學(xué)性能不穩(wěn)定、機組長期運行局部動/靜間隙減小、汽封系統(tǒng)蒸汽溫度與壓力控制不合理、跳機后沒有充分盤車釋放熱彎曲的決策失誤等。

(2)汽封系統(tǒng)的蒸汽溫度不僅與轉(zhuǎn)子差脹和轉(zhuǎn)子壽命有關(guān)，而且與機械力學(xué)特性不穩(wěn)定的高中壓轉(zhuǎn)子也有直接關(guān)系，還會影響其彎曲狀態(tài)。因此，必須嚴格按運行規(guī)程要求控制汽封系統(tǒng)的蒸汽溫度和壓力，以防止蒸汽外泄。

(3)在初次沖轉(zhuǎn)和振動事故后沖轉(zhuǎn)時，機組較長時間在發(fā)電機轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速1400r/min附近運行，在#4，#3軸承上產(chǎn)生明顯的振動。機組在臨界轉(zhuǎn)速下運行是極為危險的，要杜絕機組在臨界轉(zhuǎn)速下運行，防止事故再次發(fā)生。

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