李衛(wèi)衛(wèi) 陳振文 趙春楠

(兗礦魯南化工有限公司)

某公司合成氨系統(tǒng)合成氣壓縮機(jī)組是由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩端軸輸出分別拖動(dòng)壓縮機(jī)高、低壓缸。該汽輪機(jī)自2008年開車以來，運(yùn)行中陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題，如后軸承溫度高、汽封彈簧失效及圍帶汽封條的多次損壞等，嚴(yán)重影響了汽輪機(jī)的運(yùn)行安全和效率，筆者通過對(duì)問題原因的分析并結(jié)合多次檢修經(jīng)驗(yàn)提出了相應(yīng)的處理措施。

1 汽輪機(jī)參數(shù)

汽輪機(jī)參數(shù)如下：

型號(hào) 5CL-6BD

級(jí)數(shù) 6

額定功率 9 628kW

最大連續(xù)轉(zhuǎn)速 12 705r/min

一階臨界轉(zhuǎn)速 5 000r/min

額定轉(zhuǎn)速 12 100r/min

跳車轉(zhuǎn)速 13 975r/min

最高入口壓力 3.8MPa(A)

額定入口蒸汽壓力 3.6MPa(A)

最高排汽壓力 200kPa(A)

額定排汽壓力 12kPa(A)

最高進(jìn)口溫度 450℃

額定入口蒸汽溫度 400℃

出口溫度 49℃

2 汽封彈簧問題

汽封裝置的作用是阻止蒸汽泄漏，故對(duì)汽封間隙有嚴(yán)格要求。在長(zhǎng)期高溫和應(yīng)力作用下，汽封彈簧會(huì)發(fā)生顯著的塑性變形，其初應(yīng)力不斷下降，汽封間隙逐漸增大，漏汽損失增加，最終汽輪機(jī)的效率降低[1]。通常的解決方法是定期更換汽封彈簧(更換周期一般為1～2年)。5CL-6BD型汽輪機(jī)軸端汽封裝置為彈簧迷宮式汽封，汽封圈采用整體車制，每級(jí)汽封圈由6塊弧段組成，汽封圈弧段間留有0.10～0.25 mm的膨脹間隙，汽封與轉(zhuǎn)子的半徑間隙為0.21～0.41mm。汽封每弧段背部由3個(gè)彈簧支撐，以保證與轉(zhuǎn)子之間的間隙。

該汽輪機(jī)檢修后運(yùn)行不久曾多次出現(xiàn)軸端汽封輕微漏汽現(xiàn)象，在一次運(yùn)行6個(gè)月之后的檢修中，對(duì)汽封裝置進(jìn)行檢查分析，發(fā)現(xiàn)越靠近蒸汽入口處的汽封環(huán)，其背部支撐彈簧塑性變形越嚴(yán)重。汽封彈簧安裝時(shí)自由高度為20mm，一級(jí)進(jìn)口汽封環(huán)(軸端汽封)支撐彈簧自由高度已降低到只有12.5mm，已經(jīng)完全失去支撐汽封環(huán)的作用。正是汽封彈簧的失效才導(dǎo)致了汽封間隙的增大，最終造成蒸汽的泄漏。

該汽封彈簧為圓柱形彈簧，材料為50CrVA，該材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和工藝性能，具有較高的疲勞強(qiáng)度，是一種優(yōu)質(zhì)的彈簧鋼，但只能適用于250 ℃以下工作環(huán)境，超過此溫度彈簧的抗應(yīng)力松弛性能就會(huì)明顯下降。汽輪機(jī)額定入口蒸汽溫度為400℃，已超出該種材料的適用范圍，故而造成汽封彈簧使用過程中的失效，因此需對(duì)彈簧材料進(jìn)行重新選擇。

GH4145 合金為鎳基耐高溫合金，800℃以下具有較高的強(qiáng)度，540℃以下具有較好的耐松弛性能，同時(shí)還具有良好的成形性能。主要用于800℃以下工作并要求強(qiáng)度較高、耐松弛的平面彈簧和螺旋彈簧?？梢钥闯?，GH4145材料完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

更換汽封彈簧材料運(yùn)行14個(gè)月后對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行檢修，對(duì)各汽封進(jìn)行檢查，汽封間隙無明顯變化，汽封環(huán)下壓后回彈均勻有力，表明汽封彈簧能夠正常工作。靠近蒸汽入口處一級(jí)進(jìn)口汽封彈簧拆下后，自由高度17.8～18.2mm，較安裝時(shí)平均彈簧自由高度降低約2mm。2～5級(jí)進(jìn)口汽封因工作溫度較一級(jí)已大大降低，彈簧塑性變形也更小，其自由高度下降均在1mm以內(nèi)，仍能繼續(xù)使用。更換汽封彈簧材料不僅減少了蒸汽泄漏，提高了汽輪機(jī)效率，更因使用周期的延長(zhǎng)而降低了維修費(fèi)用。

3 汽輪機(jī)圍帶汽封修復(fù)

5CL-6BD汽輪機(jī)3、4級(jí)圍帶汽封(葉片汽封)為嵌入式汽封，材料為2mm厚銅環(huán)。制造時(shí)先粗加工成兩個(gè)半圓環(huán)，然后鑲嵌至汽輪機(jī)上下隔板上，機(jī)加工成滿足最終尺寸的尖刃狀。2012年12月份，由于前系統(tǒng)蒸汽中斷導(dǎo)致汽輪機(jī)跳車，重新開車時(shí)因汽輪機(jī)振動(dòng)大導(dǎo)致機(jī)組跳車。在對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行拆檢軸承時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉輪圍帶有磨損痕跡，同時(shí)2、3級(jí)圍帶汽封銅條卷曲，并有部分銅條缺失。 從受損圍帶及汽封檢查情況來看，二者位置相吻合，由此可以判斷二者損壞為動(dòng)靜部分發(fā)生碰摩[2]。碰摩發(fā)生原因：為提高機(jī)組熱效率，該兩級(jí)葉片圍帶與汽封間隙值設(shè)計(jì)偏小，實(shí)際間隙值只有0.55～0.85mm；因存在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的情況，使后面排汽溫度較高，缸體受熱不均勻造成了汽缸的變形；機(jī)組因振動(dòng)跳車，也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜碰摩。

汽封返廠修復(fù)所需時(shí)間較長(zhǎng)，因當(dāng)時(shí)生產(chǎn)任務(wù)緊張而未做處理。2013年3月份系統(tǒng)檢修，為處理遺留的圍帶汽封和轉(zhuǎn)子隱患問題安排對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行了檢修。采用廠家派人來現(xiàn)場(chǎng)加工的方法，避免了隔板返廠，節(jié)約了檢修時(shí)間。同時(shí)，在汽封精加工時(shí)對(duì)汽封間隙進(jìn)行了調(diào)整，將2、3級(jí)汽封間隙增大0.2～0.3mm，避免可能再次發(fā)生動(dòng)靜摩擦的情況。

4 汽輪機(jī)后軸承超溫

自系統(tǒng)開車以來，汽輪機(jī)一直存在后軸承(非止推側(cè)徑向軸承)溫度高的問題，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)軸承溫度在108℃左右，最高曾達(dá)到118℃(報(bào)警值105℃，跳車值120℃)，由于后軸承一直處于報(bào)警狀態(tài)，造成系統(tǒng)無法加量，制約著系統(tǒng)產(chǎn)能。

5CL-6BD汽輪機(jī)后軸承為5塊瓦的可傾瓦徑向軸承，瓦塊之間為潤(rùn)滑油噴油嘴，瓦塊兩側(cè)為擋油環(huán)。針對(duì)軸瓦超溫問題，在汽輪機(jī)多次檢修中，對(duì)瓦塊、軸承間隙、熱偶甚至油路等進(jìn)行多次檢查和更換，但未發(fā)現(xiàn)問題。2012年12月份，因后軸承損壞，在對(duì)軸承更換的過程中，再次對(duì)后軸承組件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)了擋油環(huán)間隙偏小的問題。擋油環(huán)材料為25/ZSnSb11Cu6，靜止?fàn)顟B(tài)下?lián)跤铜h(huán)與軸間隙一側(cè)為0.29～0.39 mm，另一側(cè)為0.41～0.47mm，軸承徑向間隙為0.17～0.23mm。檢修時(shí)實(shí)際測(cè)得后軸承組件軸承徑向間隙為0.20mm，擋油環(huán)兩側(cè)間隙分別只有0.20mm和0.32mm。因?yàn)閾跤铜h(huán)間隙過小，導(dǎo)致后軸承潤(rùn)滑油回油阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致潤(rùn)滑油流量減小[3]，軸承運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)帶走，最終造成后軸承運(yùn)行時(shí)軸瓦溫度高，甚至這次跳車事故造成的軸承損壞也跟其有直接關(guān)系。因此，對(duì)擋油環(huán)進(jìn)行加工，安裝后擋油環(huán)兩側(cè)實(shí)際間隙分別為0.31mm和0.42mm。汽輪機(jī)開車運(yùn)行后，后軸承溫度一直穩(wěn)定在85℃以下。

5 末級(jí)葉片拉筋裂紋

該汽輪機(jī)在運(yùn)行4年后，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行探傷檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)末級(jí)葉片拉筋處出現(xiàn)3處微小裂紋。汽輪機(jī)末級(jí)葉片拉筋結(jié)構(gòu)采用平板翼型拉筋，這種形式的葉片裝配之后，板狀拉筋之間有0.0～0.1mm的配合間隙。運(yùn)行過程中當(dāng)葉片振動(dòng)時(shí)，拉筋之間互相摩擦碰撞，摩擦阻尼耗散振動(dòng)能量。這種拉筋結(jié)構(gòu)消除了葉片間同相位的切向振動(dòng)，減少了多種振型的葉片振動(dòng)，相對(duì)于其他自由葉片而言，降低了葉片的動(dòng)應(yīng)力。

末級(jí)葉片材料為SUS630(0Cr17Ni4Cu4Nb)，該材料在末級(jí)葉片上應(yīng)用廣泛[4]，此外，末級(jí)共有84個(gè)葉片，而運(yùn)行多年后僅有3根葉片拉筋處出現(xiàn)裂紋，說明葉片強(qiáng)度滿足要求，裂紋只是個(gè)別問題。由于葉片運(yùn)行中的振動(dòng)，會(huì)使葉片之間產(chǎn)生往復(fù)的微量位移，這種相互接觸和摩擦必然使葉片之間產(chǎn)生一定的作用力，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，相互接觸摩擦部位可能會(huì)造成疲勞損壞，進(jìn)而在局部點(diǎn)接觸應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋。在觀察葉片裂紋部位時(shí)，也發(fā)現(xiàn)裂紋處葉片與凸臺(tái)之間接觸不夠均勻，拉筋凸臺(tái)有尖角，存在應(yīng)力集中點(diǎn)。因此葉片拉筋凸臺(tái)的接觸疲勞應(yīng)是造成裂紋出現(xiàn)的主要原因。

轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片拉筋凸臺(tái)斷裂位于底邊1～2mm，高度3～4mm，凸臺(tái)尖角斷裂部位很小，不會(huì)對(duì)葉片強(qiáng)度造成影響。經(jīng)與廠家交流，決定對(duì)斷裂部位進(jìn)行打磨處理，將斷裂的凸臺(tái)拐角去除，并對(duì)去除后的拉筋打磨圓滑，以避免應(yīng)力集中，同時(shí)檢查處理其他葉片拉筋接觸情況，最后轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡處理。處理后的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)良好，在運(yùn)行一年以后檢查，未有新的裂紋出現(xiàn)。

6 結(jié)束語

引起汽輪機(jī)組故障的原因很多，這就要求在分析查找問題時(shí)，要認(rèn)真消化廠家技術(shù)資料，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)可能的原因認(rèn)真排查，才能找到事故根源，采取切實(shí)可行的措施。5CL-6BD經(jīng)過檢修和優(yōu)化，現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行周期大大延長(zhǎng)，消耗降低到最低水平，系統(tǒng)操作彈性增強(qiáng)，合成氨日產(chǎn)由760t增加到780t以上，為公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 任軍，焦利峰，解志宏，等.引進(jìn)型亞臨界330MW汽輪機(jī)汽封彈簧失效的研究[J]. 內(nèi)蒙古電力技術(shù)， 2004，22(4):25～28.

[2] 李家鋒.600MW汽輪機(jī)葉片圍帶損傷及脫落的原因分析及修復(fù)[J]. 華北電力，2009，22(4):68～69.

[3] 盧頌峰.具有擋油環(huán)結(jié)構(gòu)的可傾瓦徑向軸承流量的計(jì)算[J].潤(rùn)滑與密封，1984，39(4):15～19.

[4] 徐鑫金，張偉，謝會(huì)武.二氧化碳?jí)嚎s機(jī)汽輪機(jī)葉片斷裂原因分析及優(yōu)化[J].大氮肥，2014，37(1):33～37.