李明，任建春

(云南云天化紅磷化工有限公司，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661699）

某公司一套80 萬(wàn)噸/ 年硫酸裝置安裝了1 臺(tái)拖動(dòng)用汽輪機(jī)，汽輪機(jī)型號(hào)B6-3.3/0.6，額定轉(zhuǎn)速度3950 轉(zhuǎn)/分鐘，額定功率6000kW，額定進(jìn)汽溫度435℃，額定壓力3.3MPa，排汽壓力0.6MPa，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速2265 轉(zhuǎn)/分鐘。轉(zhuǎn)子采用整段式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子重量2352kg.轉(zhuǎn)子材料30Cr2Ni4MoV。

2019 年6 月25 日這臺(tái)汽輪機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)檢修。從運(yùn)行記錄看，當(dāng)時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?950 轉(zhuǎn)/分鐘降至1000 轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)行，大約運(yùn)行3 小時(shí)后汽輪機(jī)前后軸瓦振動(dòng)開(kāi)始增加，最高升到0.5mm，操作人員及時(shí)拉閘停車。從振動(dòng)增加到停機(jī)這個(gè)時(shí)間共24 分鐘，此后又沖轉(zhuǎn)了2 次，最后一次沖轉(zhuǎn)時(shí)在1400 轉(zhuǎn)/分鐘的低轉(zhuǎn)速下軸瓦振動(dòng)已經(jīng)達(dá)到0.23mm，由于汽輪機(jī)振動(dòng)大而停機(jī)處理。

從當(dāng)天的運(yùn)行記錄看，本臺(tái)設(shè)備當(dāng)天的開(kāi)機(jī)投運(yùn)過(guò)程都比較正常，在1400 轉(zhuǎn)/分這個(gè)轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)前后軸瓦振動(dòng)都小于0.05mm，但出現(xiàn)事故后最后一次沖轉(zhuǎn)在這個(gè)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)大幅升高到0.23mm，伴隨著汽缸內(nèi)部有明顯的磨擦聲。從測(cè)量到的頻譜圖看，工頻分量特別大，說(shuō)明轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了彎曲，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量發(fā)生了改變。停機(jī)后揭開(kāi)汽輪機(jī)上汽缸檢查，轉(zhuǎn)子發(fā)生了嚴(yán)重磨擦，總共6 級(jí)葉輪在葉輪圍帶處大約30 角的弧度磨損十分嚴(yán)重，后軸瓦（油擋）磨損2mm,隔板（汽封）磨損1mm，后軸瓦（靠盤車處）軸磨擦嚴(yán)重局部已發(fā)藍(lán)。轉(zhuǎn)子最大彎曲0.71mm，從磨損部位的相位角看所有的磨損部位相位角都處于同一個(gè)角度上度，位于彎曲曲面的凹面，見(jiàn)圖1，圖2

圖1 轉(zhuǎn)子磨損部位

從檢測(cè)數(shù)據(jù)分析這根轉(zhuǎn)子已經(jīng)發(fā)生了永久性的塑性變形，轉(zhuǎn)子的最大彎曲值技術(shù)要求為＜0.06mm，實(shí)際測(cè)量出的數(shù)值為0.71mm,已經(jīng)超過(guò)近10 多倍。

圖2 葉輪磨損部位，位于葉片圍帶處

1 轉(zhuǎn)子損壞原因分析

正常情況下轉(zhuǎn)子受到的主要應(yīng)力是傳遞扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力、離心力引起的應(yīng)力、溫度不均勻引起的熱應(yīng)力, 軸振動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力。在實(shí)際使用過(guò)程中溫度不均勻引起的熱應(yīng)力比最為常見(jiàn)，對(duì)機(jī)組的影響比較大，即我們常說(shuō)的轉(zhuǎn)子熱彎曲，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彎曲后會(huì)改變轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡量增加，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)振動(dòng)增加，這是汽輪機(jī)振動(dòng)異常的一個(gè)重要因數(shù)。特別是在中小型汽輪機(jī)上特別多，因?yàn)橹行⌒推啓C(jī)檢修和操作運(yùn)行水平參差不齊，很容易導(dǎo)致動(dòng)靜磨擦，造成轉(zhuǎn)子熱彎曲。運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲是由于發(fā)生了動(dòng)靜磨擦而造成轉(zhuǎn)子不均勻發(fā)熱，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大熱應(yīng)力而造成變形彎曲，轉(zhuǎn)子的熱變形及恢復(fù)過(guò)程如下圖所示。

先是發(fā)生局部磨擦產(chǎn)生熱膨脹，轉(zhuǎn)子彎曲（如圖3 所示），發(fā)熱部位金屬的熱膨脹由于受到周圍溫度低的金屬的約束限制，產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，如果這個(gè)壓應(yīng)力低于金屬的屈服極限，這個(gè)時(shí)候受熱部位產(chǎn)生的是彈性變形，當(dāng)發(fā)熱部位溫度恢復(fù)正常后轉(zhuǎn)子又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)（如圖4 所示），如果壓應(yīng)力超過(guò)金屬的屈服極限，就會(huì)使該處的金屬產(chǎn)生塑性壓縮而不是彈性變形，當(dāng)這個(gè)部位的溫度恢復(fù)正常后，過(guò)熱部位收縮后的體積就小于原來(lái)的體積，這個(gè)收縮部位的金屬就會(huì)拉扯周圍的金屬，產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反向彎曲（如圖5 所示），這就是為什么這根轉(zhuǎn)子磨擦部位處在彎曲的凹面的原因。

圖3 發(fā)熱膨脹彎曲

圖4 熱應(yīng)力小于屈服極限

圖5 熱應(yīng)力大于屈服極限

造成動(dòng)靜磨擦的原因主要有2 個(gè)：第一是由于汽缸內(nèi)部間隙調(diào)整未達(dá)到設(shè)計(jì)要求而造成的，第二是汽缸溫度變化大，導(dǎo)致汽缸產(chǎn)生較大熱應(yīng)力而變形導(dǎo)致汽缸內(nèi)動(dòng)靜間隙改變而造成的。從運(yùn)行記錄分析，事故發(fā)生在汽輪機(jī)將轉(zhuǎn)速降到1000 轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)行3 小時(shí)后發(fā)生的，由于此時(shí)設(shè)備的連鎖保護(hù)被人為解除，造成振動(dòng)達(dá)到連鎖保護(hù)值時(shí)設(shè)備沒(méi)有跳停，在振動(dòng)較高的情況下汽輪機(jī)運(yùn)行了24 分鐘，使轉(zhuǎn)子在較長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)烈的磨擦下產(chǎn)生高溫而發(fā)生塑性彎曲變形。

拖動(dòng)式汽輪機(jī)降轉(zhuǎn)速就是一個(gè)大幅減負(fù)荷的過(guò)程，這個(gè)時(shí)候汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥是逐步關(guān)閉的過(guò)程，轉(zhuǎn)速減到1000 轉(zhuǎn)/分時(shí)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度很小，進(jìn)汽量也相應(yīng)很少。雖然進(jìn)汽蒸汽參數(shù)沒(méi)有發(fā)生變化，但其實(shí)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽是在調(diào)節(jié)閥處經(jīng)過(guò)了一個(gè)等焓絕熱膨脹的節(jié)流過(guò)程，如圖6 所示。

圖6 節(jié)流閥示意圖

節(jié)流后的蒸汽雖然熱能沒(méi)有改變，但溫度、壓力已經(jīng)大幅降低，蒸汽再經(jīng)過(guò)前面幾級(jí)動(dòng)葉做功后到后面幾級(jí)葉輪時(shí)候蒸汽參數(shù)會(huì)將到很低，甚至?xí)M(jìn)入到濕蒸汽區(qū)使下汽缸積水，在這種情況下會(huì)造成上下汽缸溫差緩慢增加。長(zhǎng)期的運(yùn)行觀察，我們經(jīng)常會(huì)觀察到在極低負(fù)荷或低轉(zhuǎn)速下，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，汽缸的上下缸溫差都會(huì)緩慢增加，上缸溫度會(huì)比下缸溫度高，上缸的膨脹量比下缸膨脹量大，造成汽缸向下彎曲，即所謂的“貓拱背”。如果抽氣器工作不正常，抽力小，還能觀察到凝結(jié)水從前后軸汽封里面甩出。當(dāng)彎曲到一定程度時(shí)，汽缸內(nèi)動(dòng)靜間隙消失，發(fā)生磨擦，轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲，這就是為什么在1000 轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)行近3 小時(shí)后振動(dòng)會(huì)不斷增加的原因。

發(fā)生磨擦的部位是汽封體與轉(zhuǎn)子磨擦，在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)上汽輪機(jī)的汽封塊都是可活動(dòng)的，活動(dòng)間隙2mm 左右。汽封塊背面安裝有彈簧或彈簧片，如果發(fā)生轉(zhuǎn)子與汽封塊碰撞磨擦，因?yàn)槠鈮K還有2mm 的間隙，所以磨擦力就是彈簧變形的彈力。這個(gè)彈力不大，由于磨擦產(chǎn)生的熱量與磨擦力成正比，所以產(chǎn)生的熱量不會(huì)太大。而且轉(zhuǎn)子在蒸汽的沖刷冷卻作用下，這種磨擦不會(huì)導(dǎo)致溫升過(guò)高，轉(zhuǎn)子的熱變形比較小，不會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這個(gè)與大量機(jī)組檢修后的動(dòng)靜磨擦經(jīng)常發(fā)生但機(jī)組運(yùn)行正常的實(shí)際情況相符。如果安裝、檢修過(guò)程中汽缸里面的間隙調(diào)整嚴(yán)重不合格，在上述情況下就會(huì)造成汽封塊的活動(dòng)間隙消失，產(chǎn)生硬碰硬磨擦，這種磨擦力很大，會(huì)造成轉(zhuǎn)子磨擦部位溫度過(guò)高，發(fā)生較大彎曲。這種彎曲反過(guò)來(lái)產(chǎn)生較大振動(dòng)，使磨擦更加強(qiáng)烈，形成惡性循環(huán)，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。由于本臺(tái)機(jī)組磨擦嚴(yán)重，汽缸里面間隙增加較大無(wú)法準(zhǔn)確判斷間隙情況，但從盤車齒輪附近軸上由于嚴(yán)重磨擦而發(fā)藍(lán)的現(xiàn)象看，這根轉(zhuǎn)子彎曲得比較厲害。因?yàn)檫@個(gè)地方的間隙最小有2mm 多，由于汽輪機(jī)剛大修不久，發(fā)生如此嚴(yán)重磨擦說(shuō)明汽缸內(nèi)有些間隙在檢修時(shí)調(diào)整的過(guò)小?，F(xiàn)場(chǎng)檢查到下隔板與汽缸間隙過(guò)小，技術(shù)要求2～2.5mm，實(shí)際測(cè)量，全部未到達(dá)要求，最小的一級(jí)隔板只有0.87mm,其它的已經(jīng)磨損出較大的間隙無(wú)法判斷。

2 轉(zhuǎn)子修復(fù)辦法

這臺(tái)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是一根整段式轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彎曲較大，如果采用常規(guī)的冷校或熱校，要把長(zhǎng)3896mm 的轉(zhuǎn)子最大彎曲值校直到0.06mm 以內(nèi)，目前這兩種校正工藝無(wú)法確保成功，難度和風(fēng)險(xiǎn)極大。而且這兩種校正方法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是校正后很難把應(yīng)力消除掉。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是在高溫且溫度變化大的環(huán)境下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子材料里面含有一種很活躍的金屬元素Ni，殘存的應(yīng)力會(huì)不會(huì)使轉(zhuǎn)子又發(fā)生彎曲，存在很大不確定性。目前最可行的方法是車削法，這種方法是在精度高的機(jī)床上先找出轉(zhuǎn)子的高點(diǎn)，確定出各個(gè)部位需要車削的量，然后將轉(zhuǎn)子各個(gè)高出的部位車削掉，使轉(zhuǎn)子變直，車削完后在高速平衡機(jī)校正平衡，轉(zhuǎn)子便可恢復(fù)使用。從測(cè)量出的數(shù)據(jù)看，車削量在0.7mm 以內(nèi)，轉(zhuǎn)子也還有加工余量，這種方法唯一的一個(gè)不確定的影響因素就是前面提到的轉(zhuǎn)子目前存在一個(gè)拉應(yīng)力，由于轉(zhuǎn)子材料里面含有一種很活躍的金屬元素Ni，這個(gè)應(yīng)力的變化容易造成轉(zhuǎn)子彎曲度發(fā)生變化。為了檢查轉(zhuǎn)子彎曲度是否會(huì)變化，特地將轉(zhuǎn)子放在低速平衡機(jī)上慢速長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)，然后又將轉(zhuǎn)子拱背朝上放置了10 多個(gè)小時(shí)，用百分表檢查轉(zhuǎn)子的彎曲度并無(wú)變化，說(shuō)明轉(zhuǎn)子的變形基本是穩(wěn)定的。運(yùn)到制造廠檢測(cè)，轉(zhuǎn)子的彎曲度并沒(méi)有發(fā)生變化，可以肯定這根轉(zhuǎn)子彎曲度不會(huì)再發(fā)生變化。于是上數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工處理，在加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)后軸瓦軸徑這個(gè)地方如果要車直，軸徑處的直徑要車削0.045mm。原來(lái)的軸瓦就不能使用，由于這種軸瓦是德國(guó)進(jìn)口的軸瓦，采購(gòu)周期大概3 個(gè)月，這將對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。如果這個(gè)地方不處理，整根轉(zhuǎn)子在后軸瓦處產(chǎn)生0.02mm 的偏心。從影響來(lái)講，除對(duì)機(jī)組的振動(dòng)會(huì)有一定的影響外，無(wú)其他影響。經(jīng)估算由此造成的振動(dòng)增加大概在0.03mm 左右，考慮到生產(chǎn)的實(shí)際情況，最后決定這個(gè)地方不進(jìn)行處理。加工結(jié)束后按制造廠的技術(shù)要求對(duì)整根轉(zhuǎn)子進(jìn)行了4120 轉(zhuǎn)/分鐘高速動(dòng)平衡。轉(zhuǎn)子修復(fù)結(jié)束，開(kāi)始進(jìn)行復(fù)裝，由于轉(zhuǎn)子的軸已經(jīng)加工變細(xì)，因此原來(lái)的汽封塊就與轉(zhuǎn)子已經(jīng)不配套，需要在復(fù)裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)汽封塊進(jìn)行處理，見(jiàn)圖7。

圖7 汽封塊打磨處理方法

通過(guò)對(duì)6 個(gè)結(jié)合面打磨處理，減小內(nèi)徑R 值來(lái)調(diào)整汽封塊上汽封片與轉(zhuǎn)子軸上汽封片之間的間隙，將這個(gè)間隙調(diào)整到技術(shù)要求范圍內(nèi)。在復(fù)裝的過(guò)程中還對(duì)隔板與汽缸的間隙進(jìn)行了調(diào)整，使這個(gè)間隙達(dá)到了技術(shù)要求值。

3 汽輪機(jī)開(kāi)車及運(yùn)行情況

2019 年7 月17 日機(jī)組復(fù)裝結(jié)束后，開(kāi)機(jī)運(yùn)行。過(guò)臨界軸振動(dòng)最大為0.254mm,轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速3950 轉(zhuǎn)/分鐘帶滿負(fù)荷后機(jī)組振動(dòng)較好，運(yùn)行平穩(wěn)。運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

4 預(yù)防措施

(1)裝置停車時(shí)，汽輪機(jī)同步停車盤車。

(2)汽輪機(jī)嚴(yán)禁在低轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，目的是防止汽缸變形造成動(dòng)靜摩擦。特別是設(shè)備在檢修過(guò)程中一些重要間隙未能調(diào)整不好的情況下往往會(huì)造成嚴(yán)重動(dòng)靜摩擦。

(3)汽輪機(jī)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)值超過(guò)0.26mm 或軸承箱體振動(dòng)超過(guò)0.05mm 時(shí)立即停車，停車期間投入盤車，再次沖轉(zhuǎn)時(shí)盤車過(guò)程中的前后瓦振動(dòng)值不能超過(guò)設(shè)備正常時(shí)盤車過(guò)程中的振動(dòng)值。

表1 汽輪機(jī)運(yùn)行振動(dòng)記錄表

(4)開(kāi)車過(guò)車中監(jiān)控好上下缸溫差，溫差不超過(guò)50℃，如果超過(guò)，應(yīng)該停車，待溫差在50℃內(nèi)，最好30℃內(nèi)再?zèng)_轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)過(guò)程中控制好升速曲線，低速下勿停留過(guò)長(zhǎng)。

(5)在汽輪機(jī)正常運(yùn)行情況下，振動(dòng)值大于連鎖保護(hù)或軸承箱體振動(dòng)超過(guò)0.05mm 時(shí)立即停機(jī)檢查。

(6)汽輪機(jī)在開(kāi)車和運(yùn)行過(guò)程中聯(lián)鎖正常投入,嚴(yán)禁無(wú)聯(lián)鎖保護(hù)開(kāi)車和運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)汽輪機(jī)作為工廠的關(guān)鍵設(shè)備，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程及維護(hù)檢修規(guī)程是防止設(shè)備損壞的重要手段。

(2)設(shè)備投入運(yùn)行后經(jīng)過(guò)了2 個(gè)多月運(yùn)行觀察，期間開(kāi)停機(jī)兩次，振動(dòng)無(wú)變化，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子修復(fù)達(dá)到了使用要求，本修理方法是可行的。