吳野(神華新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 831404)
汽輪機(jī)在化工廠應(yīng)用較普遍,主要用于驅(qū)動離心式壓縮機(jī),也有用于驅(qū)動離心泵、小型轉(zhuǎn)動設(shè)備。汽輪機(jī)是化工廠的重要設(shè)備,汽輪機(jī)故障會直接影響生產(chǎn)裝置的安全、穩(wěn)定運行。
而汽輪機(jī)的軸振動是汽輪機(jī)能否安全、穩(wěn)定運行的重要指標(biāo),軸振動異常是汽輪機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障的一種最直接的表現(xiàn)形式,機(jī)組運行的安全性、穩(wěn)定性很大程度上是由汽輪機(jī)軸振動的狀態(tài)來決定的。如若汽輪機(jī)軸振動過大可能會引起密封損壞、動靜部分摩擦等一系列的汽輪機(jī)本體故障,還有可能會引發(fā)裝置停產(chǎn)事故,造成經(jīng)濟(jì)損失。汽輪機(jī)軸振動異常的原因較復(fù)雜,汽輪機(jī)軸振動異??赡苁嵌鄠€原因綜合作用的結(jié)果,這就需要我們按照汽輪機(jī)的運行情況進(jìn)行分析,排查可能因素,確定維修方案,對其及時做出處理,避免汽輪機(jī)發(fā)生重大事故,保障機(jī)組安全、穩(wěn)定運行。壓縮機(jī)組軸系圖見圖1。
某廠的汽輪機(jī)為NK50/56型凝汽式汽輪機(jī),屬積木塊式工業(yè)汽輪機(jī)。汽輪機(jī)汽缸按積木塊原理分為前區(qū)段(新蒸汽進(jìn)汽部分)、中間段(葉柵部分)和后區(qū)段(排氣部分),汽輪機(jī)本體由前汽缸和排汽缸組成,二者通過垂直中分面相連接,整個汽缸為水平中分結(jié)構(gòu),上下缸用法蘭面和螺栓連接,該汽輪機(jī)用于驅(qū)動一臺離心式壓縮機(jī)。汽輪機(jī)使用本特利3300監(jiān)控系統(tǒng),檢測軸振動、軸位移。汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)端各有兩個電渦流式位移傳感器呈90°夾角,V型安裝在主軸上方,直接測量軸振動數(shù)值。該汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:
額定功率/k w額定轉(zhuǎn)速/r·m i n跳閘轉(zhuǎn)速/r·m i n進(jìn)汽壓力/M P a(G)進(jìn)汽溫度/℃排汽壓力/M P a(A)耗汽量/k g·h第一臨界轉(zhuǎn)速/r·m i n最大連續(xù)轉(zhuǎn)速/r·m i n 2 3 2 8 7 7 2 5 1 8 4 8 1 4.1 4 2 0 0.0 2 5 1 0 2.6 2 3 2 8 7 7 3 5
該汽輪機(jī)于2016年6月正式投入運行。正常運行時,汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)端軸振動值都在20μm左右,機(jī)組運行狀態(tài)良好。隨著運行時間的增加,2017年9月,該汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道出現(xiàn)軸振動值異常情況,當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過6700rpm/min時汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值快速上漲,6800rpm/min時已達(dá)到50.98μm,該汽輪機(jī)軸振動高報警值為50μm,汽輪機(jī)軸振動聯(lián)鎖停機(jī)值為75μm,而聯(lián)端軸振動監(jiān)測A通道振動值顯示31.82μm,非聯(lián)端軸振動監(jiān)測A/B雙通道振動值均有輕微變化,但變化量不大,始終在23μm左右,汽輪機(jī)所驅(qū)動的離心式壓縮機(jī)高、低壓端軸振動未隨汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動數(shù)值的變化而變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至6650rpm/min時,汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值降至33μm,汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道的振動值隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動較大,而汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測A通道振動值波動較小。汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為7251rpm/min,在6800rpm/min時汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值就已經(jīng)達(dá)到高報警值,如此異常的軸振動如果不及時查清原因,會對汽輪機(jī)的安全運行造成隱患,輕則造成機(jī)組不能正常運行,重則會使機(jī)組發(fā)生安全事故。
圖1 壓縮機(jī)組軸系圖
圖2 汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動值趨勢圖
(1)通過調(diào)看生產(chǎn)裝置壓縮機(jī)組CCS監(jiān)控系統(tǒng)的歷史趨勢,并將汽輪機(jī)軸振動、與汽輪機(jī)主蒸汽流量、壓力、溫度等放在同一時間坐標(biāo)的趨勢圖上查看(圖2),在振動異常時汽輪機(jī)主蒸汽壓力、溫度和汽輪機(jī)的排氣壓力、溫度趨勢平穩(wěn),無波動。壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力、溫度和流量也都在正常工況下運行,無大幅度波動,說明汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道的異常振動與壓縮機(jī)組運行條件發(fā)生變化無關(guān)。
(2)因傳感器失靈而導(dǎo)致的壓縮機(jī)組故障是特別常見的,所以檢查汽輪機(jī)本特利3300軸振動監(jiān)控系統(tǒng)是否發(fā)生誤報警情況,檢查接線牢固,卡件無故障。檢查電渦流傳感器電壓-9.18V,在正常工作范圍內(nèi),對電渦流式位移傳感器來說,所測得的位移與輸出的電壓始終為線性關(guān)系,本特利探頭的線性特性為200mV/mil,換算成公制為7.87V/mm,正常運行時汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道電渦流傳感器間隙電壓為-9.23V,30.63μm振動值,汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值異常時電渦流傳感器間隙電壓為-9.18V,50.98μm振動值,電渦流傳感器電壓變化小,但振動值卻很大,因此判斷電渦流傳感器無故障,振動值可信,如圖3所示。
圖3 汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道GAP電壓趨勢圖
(3)通過調(diào)看生產(chǎn)裝置壓縮機(jī)組CCS監(jiān)控系統(tǒng)中的軸振動歷史趨勢,見圖4,發(fā)現(xiàn)當(dāng)汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值上升時,聯(lián)端軸振動監(jiān)測A通道的軸振動值同時在增大,汽輪機(jī)非聯(lián)端雙通道軸振動值也在上升,但是變化較小,此現(xiàn)象說明,同一時刻汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)端軸振動值同時發(fā)生變化,所以汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道軸振動異常是真實存在的。
(4)通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)前軸承座與汽缸之間拉桿螺栓未點焊,鎖緊螺母松動,前軸承座發(fā)生偏移現(xiàn)象,且汽輪機(jī)前端膨脹指示器不動作。
(5)根據(jù)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測及分析系統(tǒng)上的振動信號頻譜圖(圖6)顯示,汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道軸振動的諧波能量主要是集中在轉(zhuǎn)子的工作頻率(一倍頻)上,基頻振動成分所占的比例很大,而其它倍頻成分所占的比例相對較小,振動值隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化較明顯,工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時振動相位穩(wěn)定,原始波形形狀接近于正玄波形,軸心軌跡為橢圓,軸心軌跡存在反進(jìn)動現(xiàn)象,且對應(yīng)波形頻譜圖中還存在削波現(xiàn)象。見圖5。
圖4 汽輪機(jī)聯(lián)端、非聯(lián)端軸振動趨勢圖
圖5 汽輪機(jī)軸心軌跡圖
圖6 汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動波形頻譜圖
(6)通過以上幾點判斷汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值為真,汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動出現(xiàn)異常,但情況不是十分嚴(yán)重,因為此壓縮機(jī)組是該生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備,汽輪機(jī)停機(jī)檢修相當(dāng)于裝置停產(chǎn),會造成巨大損失,因此可以在控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在6650rpm/min以下監(jiān)控壓縮機(jī)組運行,直至計劃停機(jī)檢修,可以減少經(jīng)濟(jì)損失。
汽輪機(jī)軸振動異常的原因是多方面的,也是比較復(fù)雜的,例如安裝及檢修質(zhì)量不良、管道振動帶動機(jī)組振動、軸承承載能力及油膜問題等等,但就上述檢查情況看,汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值異??赡苡腥缦略颍?/p>
(1)汽輪機(jī)前軸承座與汽缸拉桿螺栓未點焊(見圖7),鎖緊螺母松動,致使前軸承座發(fā)生偏移現(xiàn)象,且汽輪機(jī)前端膨脹指示器不動作,汽缸導(dǎo)向裝置偏移,卡澀,汽輪機(jī)運行時熱膨脹受阻致使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與前軸承座、汽缸對中不良,以此判斷為轉(zhuǎn)子與汽缸、軸承座的同心度被破壞而引起振動。
圖7 拉桿螺栓未點焊
(2)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子冷態(tài)對中符合要求,運行時中心產(chǎn)生偏移。因汽輪機(jī)的排汽冷凝器故障致使汽輪機(jī)排汽壓力高于正常值運行,汽輪機(jī)的排氣壓力正常值為20KPa(A),排汽凝汽器故障時汽輪機(jī)排汽壓力高至80KPa(A),且汽輪機(jī)的排氣溫度隨排汽壓力的升高而升高。運行時排汽接管受熱膨脹使汽輪機(jī)后軸承中心抬高,因轉(zhuǎn)子與汽缸、軸承座的同心度差,繼而引起汽輪機(jī)軸振動值升高。
(3)根據(jù)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測及分析系統(tǒng)上的振動信號頻譜圖顯示,初步判斷汽輪機(jī)存在動不平衡及輕微摩擦現(xiàn)象。
針對汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常的情況,2018年8月對汽輪機(jī)進(jìn)行了大修處理,檢查處理結(jié)果如下:
(1)檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)定位值均發(fā)生變化,按汽輪機(jī)安裝技術(shù)要求,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)定位數(shù)值應(yīng)為151.9mm,實測汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子南側(cè)定位數(shù)值為152.14mm,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子北側(cè)定位數(shù)值為152.36mm,詳情如表1所示:
表1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子定位值對比
分析原因主要是拉桿螺栓未點焊,導(dǎo)致螺母松動,軸承座偏移,轉(zhuǎn)子未能準(zhǔn)確定位。轉(zhuǎn)子南北兩側(cè)相差0.22mm,汽輪機(jī)前軸承座偏移0.22mm,轉(zhuǎn)子中心發(fā)生變化,引起汽輪機(jī)軸振動異常。后經(jīng)調(diào)整汽輪機(jī)前軸承座與汽缸的拉桿螺栓,調(diào)整轉(zhuǎn)子兩側(cè)定位值為151.8mm,并將拉桿螺栓點焊防松,如圖8所示。
圖8 拉桿螺栓點焊防松
(2)檢查汽輪機(jī)平衡活塞汽封處有摩擦,密封齒損壞,如圖9所示。分析原因為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子偏心,造成平衡活塞汽封處輕微摩擦,返廠維修更換密封齒。
圖9 汽輪機(jī)平衡活塞汽封密封齒損壞
(3)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返廠做高速動平衡
轉(zhuǎn)子跳動檢查情況良好,前、后軸徑電跳量均為0.008mm,軸徑未磨損,轉(zhuǎn)子高速動平衡不合格,在出汽端R=290mm、∠220°處增加30g,進(jìn)汽端R=230mm、∠50°增加16g 后,轉(zhuǎn)子高速動平衡合格。
汽輪機(jī)檢修完成后運行壓縮機(jī)組,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高升至6900rpm/min,汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動監(jiān)測B通道振動值正常,最大振值24μm,檢修效果良好,運行至今再未發(fā)生過汽輪機(jī)聯(lián)端軸振動異常情況。
汽輪機(jī)軸振動的大小,是評價一臺汽輪機(jī)運行安全、可靠的重要指標(biāo),對于汽輪機(jī)來說微小的振動必不可免,只要振動幅度不超過技術(shù)要求所規(guī)定的數(shù)值就屬于正常振動。但也難免會出現(xiàn)一些異常振動。汽輪機(jī)異常振動產(chǎn)生的原因相對較復(fù)雜,要從多方面考慮。因此,針對汽輪機(jī)異常振動的分析顯得尤為重要。汽輪機(jī)在化工廠屬于核心設(shè)備,減少汽輪機(jī)的故障率對化工廠的安全、穩(wěn)定運行有著深遠(yuǎn)的意義。