董 飚

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司,上海 金山 200540)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司2號(hào)延遲焦化裝置(120萬(wàn)t/a)的富氣壓縮機(jī)K-9201是由沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的單缸、2段、7級(jí)、水平剖分式、汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心壓縮機(jī)，型號(hào)為2MCL607。其作用是提高焦化富氣的壓力，以回收其中的液化氣組分(C3、C4及其他)。汽輪機(jī)KT-9201是由杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為NK32/36/32。該機(jī)組是2號(hào)延遲焦化裝置最關(guān)鍵的動(dòng)力設(shè)備，其運(yùn)行的可靠與否關(guān)系到裝置的正常運(yùn)行。

對(duì)于汽輪機(jī)來(lái)講，無(wú)論是背壓式還是凝汽式，氣缸的死點(diǎn)都在后端(前端為非驅(qū)動(dòng)端，后端為驅(qū)動(dòng)端)，氣缸受熱膨脹沿軸向向前伸長(zhǎng)，并通過(guò)2根拉桿螺栓，將前軸承座推向前方，汽輪機(jī)的推力軸承也隨之前移，將轉(zhuǎn)子也拉向前方。當(dāng)轉(zhuǎn)子受熱膨脹時(shí)，則以推力軸承為死點(diǎn)，沿軸向向后伸長(zhǎng)。因而轉(zhuǎn)子后端的聯(lián)軸器相對(duì)于氣缸的死點(diǎn)，便有盡可能小的相對(duì)位移，保證動(dòng)、靜部件間軸線的一致性和各級(jí)間汽道間隙最小的變動(dòng)量。

汽輪機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，必須設(shè)置超速保護(hù)裝置，以使汽輪機(jī)在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，迅速切斷進(jìn)汽，進(jìn)而停機(jī)。汽輪機(jī)超速保護(hù)裝置包括電子跳閘和機(jī)械跳閘2種。電子跳閘的作用方式是：當(dāng)汽輪機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速(如額定轉(zhuǎn)速的108%)時(shí)，安裝在保安系統(tǒng)壓力油管路上的電磁閥接收到停機(jī)信號(hào)，立即切斷速關(guān)油路，使速關(guān)閥迅速關(guān)閉，切斷進(jìn)汽，汽輪機(jī)停機(jī)。機(jī)械跳閘的作用方式是：在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝有離心飛錘式危急遮斷器，偏心飛錘被彈簧壓在端蓋一端，在工作轉(zhuǎn)速下，彈簧力大于離心力，飛錘保持不動(dòng)；當(dāng)汽輪機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速(如額定轉(zhuǎn)速的110%)時(shí)，飛錘的離心力增加，超過(guò)彈簧力，飛錘飛出，撞擊安裝在軸承箱上的危急遮斷油門的拉鉤，使危急遮斷油門脫扣，切斷速關(guān)油路，使速關(guān)閥迅速關(guān)閉，切斷進(jìn)汽，汽輪機(jī)停機(jī)。

1 開機(jī)過(guò)程中停機(jī)分析

在汽輪機(jī)完成解體檢修、靜態(tài)調(diào)試后，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行了單機(jī)試車，在低轉(zhuǎn)速下，分別進(jìn)行了危急保安裝置動(dòng)作、現(xiàn)場(chǎng)緊急停機(jī)、操作室緊急停機(jī)等試驗(yàn)。在進(jìn)行電子跳閘試驗(yàn)和機(jī)械跳閘試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速在分別達(dá)到10 266、10 254 r/min時(shí)，汽輪機(jī)發(fā)生跳閘停機(jī)。該跳閘轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)的電子跳閘轉(zhuǎn)速(10 278 r/min)，更低于設(shè)計(jì)的機(jī)械跳閘轉(zhuǎn)速(10 372 r/min)，可以認(rèn)為汽輪機(jī)發(fā)生了機(jī)械跳閘。當(dāng)時(shí)以為發(fā)生這種情況的原因是轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，危急遮斷器的彈簧彈性下降，導(dǎo)致機(jī)械跳閘轉(zhuǎn)速下降，認(rèn)為這是正常的。特別是，在安裝聯(lián)軸器后，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)試車，在轉(zhuǎn)速3 000 r/min下運(yùn)轉(zhuǎn)了一段時(shí)間，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)正常。因此，也就沒(méi)再深究其中的原因。

在后來(lái)的裝置開車、富氣壓縮機(jī)組開機(jī)過(guò)程中，前后共發(fā)生了4次沒(méi)有任何征兆的停機(jī)，轉(zhuǎn)速分別在7 500、3 800、6 000、5 100 r/min。4次發(fā)生停機(jī)的特征都是沒(méi)有任何聯(lián)鎖停機(jī)的記錄或信號(hào)，都是速關(guān)閥突然關(guān)閉，汽輪機(jī)停機(jī)。初步判斷，機(jī)組突然停機(jī)的原因是：危急保安裝置存在故障，在開機(jī)過(guò)程中，達(dá)到一定負(fù)荷后，速關(guān)油路會(huì)泄壓，導(dǎo)致速關(guān)閥關(guān)閉而停機(jī)。第5次開機(jī)時(shí)，將危急保安裝置手柄予以固定，相當(dāng)于解除了機(jī)械跳閘功能(見(jiàn)圖1)，開機(jī)正常，順利投產(chǎn)。整個(gè)開機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)速的變化情況見(jiàn)圖2。

圖1 危急保安裝置手柄予以固定

圖2 開機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)速的變化

在檢修過(guò)程中測(cè)量危急保安裝置的相關(guān)間隙(見(jiàn)圖3)，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)顯示危急保安裝置的安裝間隙符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 危急保安裝置相關(guān)間隙的測(cè)量

為了找到汽輪機(jī)跳閘停機(jī)的真正原因，在機(jī)組運(yùn)行投產(chǎn)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了認(rèn)真觀察，終于發(fā)現(xiàn)前端軸承座(見(jiàn)圖4)的左側(cè)拉桿螺栓背帽有一個(gè)間隙(見(jiàn)圖5)，經(jīng)過(guò)塞尺測(cè)量，間隙有1.85 mm。出廠資料要求該處的間隙為0.07～0.09 mm。測(cè)量部位見(jiàn)圖6。

表1 危急保安裝置的間隙數(shù)據(jù)

圖4 非驅(qū)動(dòng)端軸承座

圖5 拉桿螺栓背帽的間隙

圖6 前軸承座拉桿螺栓

2 拉桿螺栓間隙的產(chǎn)生與影響

1) 拉桿螺栓間隙的產(chǎn)生

大部分汽輪機(jī)的軸承箱結(jié)果如圖7所示，拉桿螺栓在軸承箱里，軸承座兩側(cè)的耳朵的前后各有兩個(gè)背帽銷緊，背帽之間有防松墊片。而汽輪機(jī)KT-9201的軸承箱結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)不同(見(jiàn)圖8)，拉桿螺栓在軸承箱外，軸承座兩側(cè)的耳朵的前后各有兩個(gè)背帽鎖緊，但是背帽之間沒(méi)有防松墊片，只是在背帽銷緊后相互之間點(diǎn)焊固定(見(jiàn)圖9)。兩種背帽防松方式的差別在于：前者的防松墊片(見(jiàn)圖10)，內(nèi)徑側(cè)的凸邊插入拉桿螺栓的槽中，兩個(gè)背帽鎖緊后，墊片外徑的2～3個(gè)齒邊向背帽翻邊，這樣在汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不可能發(fā)生背帽松動(dòng)的情況；后者兩個(gè)背帽鎖緊后點(diǎn)焊固定在一起，背帽之間不會(huì)松動(dòng)，但是它們與螺栓之間沒(méi)有防松手段，對(duì)于新安裝的汽輪機(jī)，短時(shí)間內(nèi)由于背帽之間有預(yù)緊力可能不會(huì)松動(dòng)，但是汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，由于存在一定的振動(dòng)，背帽與螺栓的絲扣之間會(huì)產(chǎn)生磨損、變形，預(yù)緊力會(huì)逐漸變?nèi)?，一旦預(yù)緊力消失，兩個(gè)背帽就會(huì)與螺栓一起發(fā)生松動(dòng)。

圖7 大部分汽輪機(jī)軸承箱結(jié)構(gòu)

圖8 KT-9201軸承箱結(jié)構(gòu)

圖9 KT-9201拉桿螺栓的背帽

圖10 防松墊片

拉桿螺栓的作用是隨著汽輪機(jī)的熱膨脹將軸承座推向前方，因此，汽輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承座會(huì)隨殼體的熱膨脹向外膨脹，耳朵的內(nèi)側(cè)背帽會(huì)推動(dòng)軸承座向外移動(dòng)，此時(shí)若背帽與拉桿螺栓發(fā)生松動(dòng)，就會(huì)使外側(cè)的背帽與耳朵之間產(chǎn)生間隙。通過(guò)測(cè)量軸承座耳朵與殼體的距離可以判斷，圖9中右側(cè)螺栓的內(nèi)側(cè)背帽與螺栓之間發(fā)生了松動(dòng)。

2) 拉桿螺栓間隙的影響

a) 拉桿螺栓間隙對(duì)危急保安裝置的影響。

單側(cè)拉桿螺栓存在這么大的間隙，會(huì)導(dǎo)致軸承座相對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)生傾斜。危急保安裝置安裝在前端軸承箱體上，與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置見(jiàn)圖11，轉(zhuǎn)子在危急保安裝置拉鉤兩側(cè)的對(duì)應(yīng)位置上有軸位移凸肩(見(jiàn)圖12)。軸凸肩的作用是：當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸位移超過(guò)拉鉤與軸凸肩的軸向間隙時(shí)，軸凸肩撞擊拉鉤，使速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥關(guān)閉，汽輪機(jī)停機(jī)。

圖11 危急保安裝置與轉(zhuǎn)子的位置

圖12 轉(zhuǎn)子軸端示意

因此，拉桿螺栓間隙對(duì)危急保安裝置的影響就要分以下兩個(gè)方面考慮。

① 拉桿螺栓間隙對(duì)拉鉤與軸凸肩的軸向間隙的影響：

汽輪機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承箱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖13。

軸承箱右側(cè)螺栓連接體處有間隙，經(jīng)測(cè)量，該間隙值達(dá)到1.85 mm，而左側(cè)位置沒(méi)有間隙，處于完好狀態(tài)。兩拉桿螺栓的間距有510 mm，轉(zhuǎn)子凸耳直徑約φ90 mm。以軸承箱左側(cè)拉桿螺栓為起始點(diǎn)，該點(diǎn)到拉鉤的橫向距離約為210 mm。如不考慮汽輪機(jī)前端徑向軸瓦與推力軸瓦對(duì)軸承箱和轉(zhuǎn)子的約束，拉鉤軸向偏移量計(jì)算如下：

圖13 軸承箱結(jié)構(gòu)

X=1.85÷510×210=0.76 mm。

但實(shí)際上，拉鉤與軸凸肩軸向間隙的變化是受支撐軸承、推力軸承的限制的，汽輪機(jī)總的軸向竄量也只有0.30 mm左右，故而該偏移量絕不會(huì)達(dá)到0.76 mm。況且原始的拉鉤與軸凸肩的軸向間隙有1 mm以上(見(jiàn)表1與圖3)。因此，危急保安裝置的拉鉤和轉(zhuǎn)子的軸位移凸肩是不會(huì)發(fā)生接觸的。

② 拉桿螺栓間隙對(duì)拉鉤與軸頸的徑向間隙的影響：

在計(jì)算拉桿螺栓間隙對(duì)拉鉤與軸頸的徑向間隙的影響時(shí)，軸承箱是以左側(cè)拉桿螺栓為圓心旋轉(zhuǎn)的，而拉鉤是以支撐軸承為圓心的。拉鉤到支撐軸承的軸向距離約為204 mm。拉鉤徑向偏移量計(jì)算如下：

Y=1.85÷510×204=0.74 mm。

危急保安裝置的拉鉤和轉(zhuǎn)子軸頸的原始徑向間隙為0.90 mm(見(jiàn)表1與圖3)，而因?yàn)槔瓧U螺栓間隙的存在，使得拉鉤徑向偏移量達(dá)到0.74 mm，因此，危急保安裝置的拉鉤和轉(zhuǎn)子軸頸的實(shí)際徑向間隙只有0.16 mm了。但這只是理論計(jì)算的結(jié)果，在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，很有可能發(fā)生了危急保安裝置的拉鉤與轉(zhuǎn)子軸頸的接觸。

b) 檢驗(yàn)拉桿螺栓間隙的影響。

后來(lái)利用汽輪機(jī)停機(jī)的機(jī)會(huì)，通過(guò)人為地調(diào)整其中一根拉桿螺栓的間隙，檢驗(yàn)其對(duì)拉鉤在轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的徑向、軸向間隙的影響。首先將兩根拉桿螺栓調(diào)整至相同狀態(tài)，即初始的安裝狀態(tài)，測(cè)量拉鉤在轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的徑向、軸向間隙；再將左側(cè)拉桿螺栓背帽向后背緊1.85 mm，即汽輪機(jī)故障運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量拉鉤在轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的徑向、軸向的間隙，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 徑向、軸向的間隙數(shù)據(jù)

3) 軸承座傾斜對(duì)推力軸瓦的影響

汽輪機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承座發(fā)生傾斜在推力軸瓦上也有反映。該汽輪機(jī)有主、副推力瓦塊各8塊，共有4塊瓦塊有高溫、偏磨現(xiàn)象，見(jiàn)圖14和圖15。

圖14 發(fā)生偏磨的瓦塊表面

從瓦塊的磨痕也能看出，軸承座確實(shí)發(fā)生了傾斜。并且，4塊高溫瓦塊分別是主推力瓦塊的右側(cè)中分面上、下兩塊和副推力瓦塊的左側(cè)中分面上、下兩塊，與軸承座傾斜的方向也相互對(duì)應(yīng)。

圖15 發(fā)生偏磨的瓦塊在推力軸承中的位置

3 汽輪機(jī)停機(jī)原因與應(yīng)對(duì)措施

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，拉桿螺栓間隙對(duì)拉鉤與軸凸肩的軸向、徑向間隙都有影響。但是其對(duì)拉鉤在轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的軸向間隙的影響遠(yuǎn)小于計(jì)算值，只有0.30 mm。這是由于推力軸承的限制作用，使得拉鉤與軸凸肩的軸向間隙還是比較大，足以保證二者軸向不會(huì)發(fā)生接觸。而其對(duì)拉鉤在轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的徑向間隙的影響比較大，達(dá)到0.69 mm，導(dǎo)致最終間隙只有0.21 mm；同時(shí)還測(cè)得，圖16所示的飛錘頭部高出軸頸0.12 mm，也就是說(shuō)，在故障運(yùn)行狀態(tài)下，拉鉤與飛錘頭部的徑向間隙只有0.09 mm，而這可是汽輪機(jī)在冷態(tài)、靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量的間隙，在實(shí)際運(yùn)行中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的情況下，存在負(fù)荷波動(dòng)、熱膨脹、振動(dòng)等不確定因素，難免發(fā)生拉鉤和飛錘頭部徑向接觸的情況。

從前軸承座解體情況看，拉鉤和飛錘頭部確實(shí)發(fā)生了徑向接觸，見(jiàn)圖16和圖17。由圖16和圖17可以看出，由于長(zhǎng)時(shí)間接觸，二者的痕跡均比較明顯。

圖16 轉(zhuǎn)子危急遮斷器飛錘的接觸痕跡

圖17 拉鉤的接觸痕跡

通過(guò)計(jì)算、檢驗(yàn)拉桿螺栓間隙對(duì)拉鉤與軸凸肩的軸向、徑向間隙的影響，分析推力軸瓦的磨痕、拉鉤與飛錘的接觸痕跡，可以確定汽輪機(jī)發(fā)生跳閘停機(jī)的原因是：?jiǎn)蝹?cè)拉桿螺栓背帽松動(dòng)，前軸承座膨脹不均勻，導(dǎo)致危急保安裝置的拉鉤與危急遮斷器飛錘頭部發(fā)生徑向接觸，引起速關(guān)油泄壓，速關(guān)閥關(guān)閉，汽輪機(jī)停機(jī)。

針對(duì)上述跳閘停機(jī)原因制定了如下整改措施：調(diào)整好拉桿螺栓的位置及其相關(guān)間隙；將鐵絲做成弓形，焊在拉桿螺栓上(見(jiàn)圖18)；通過(guò)鐵絲將軸承座耳朵兩邊的背帽連接在一起，并與螺栓端部焊接在一起，這樣，只要焊接不脫開、鐵絲不斷裂，背帽就不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。

圖18 拉桿螺栓防松措施

4 結(jié)論

1) KT-9201汽輪機(jī)拉桿螺栓與背帽只是靠?jī)蓚€(gè)背帽的預(yù)緊力達(dá)到防松的目的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，背帽與螺栓之間由于振動(dòng)、磨損、變形而發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致背帽與軸承座之間產(chǎn)生間隙。

2) 拉桿螺栓的作用是隨著汽輪機(jī)殼體的熱膨脹將前軸承座推向前方，但是拉桿螺栓產(chǎn)生間隙后，使得軸承座熱膨脹不均勻，發(fā)生了傾斜。

3) 軸承座傾斜后，使得危急保安裝置的拉鉤與轉(zhuǎn)子軸頸之間的徑向間隙變小、二者發(fā)生接觸，導(dǎo)致汽輪機(jī)達(dá)到一定負(fù)荷和膨脹量后，發(fā)生跳閘、停機(jī)。

4) 消除了拉桿螺栓間隙，并采取有效的拉桿螺栓背帽防松措施，消除了機(jī)組突然停機(jī)的故障，恢復(fù)了汽輪機(jī)機(jī)械跳閘的功能，保證了機(jī)組的安穩(wěn)運(yùn)行。