黃建強， 朱熹， 彭金龍， 宋建華， 原曉葉

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽618000）

0 引言

保證汽輪機的安全運行是汽輪機設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，某聯(lián)合循環(huán)汽輪機運行2 a后出現(xiàn)機組振動大、低壓內(nèi)缸裂紋的情況，嚴重影響機組安全運行。

本文從該機組運行情況、低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行了分析，分析了該項目低壓內(nèi)缸產(chǎn)生裂紋的原因，并制定了相應(yīng)的處理措施。

1 問題描述

該機組為某公司設(shè)計生產(chǎn)的2×400 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，汽輪機型號LC/150/94-11.01/1.0/566/566。燃氣輪機和汽輪機為同軸布置，其布置方式如圖1所示。

圖1 機組布置

該機組于2015年5月投運，在2018年2號機組C修期間發(fā)現(xiàn)低壓內(nèi)缸上半進汽口位置進汽面及相應(yīng)背面出現(xiàn)2處貫穿性裂紋，處于對稱位置，長度尺寸在110 mm 左右，形貌如圖2所示。另外在進汽筋板下部一側(cè)焊縫處也出現(xiàn)長約3 mm的裂紋，形貌如圖3所示。

檢查后發(fā)現(xiàn)，隔板汽封和葉頂汽封均有不同程度的磨損。正反1級葉頂汽封損傷嚴重:磨損、斷裂、變形、脫落，下半隔板汽封均比上半磨損嚴重，最大磨損量達2 mm，中低壓連通管波紋管護板出現(xiàn)卡住變形情況，如圖4所示。

該機組于2017年檢修后，6月20日首次啟動，啟動定速后，汽機進汽加負荷過程中，5#、6#軸振出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，最大5X達128 μm，然后一直存在，夏季工況時，汽機進汽升負荷過程較頻繁地出現(xiàn)5#、6#軸振大的現(xiàn)象，且在正常運行中，也偶爾出現(xiàn)振動波動的現(xiàn)象。

圖2 進汽板上兩處對稱分布裂紋形貌

圖3 進汽筋板下部裂紋分布和形貌

圖4 中低壓連通管波紋管護板變形情況

2 運行情況收集

機組熱態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)速在2000 r/min左右，低壓調(diào)閥打開進汽，由于低壓主汽溫度低于中排溫度，造成低壓缸進汽溫度大幅降低120～80 ℃（100 s內(nèi)降低，最多達到140～150 ℃）。隨著汽機負荷開始增加，低壓再熱調(diào)閥從30%逐步開大過程中（從開始開大到全開約20 min左右），6X振動出現(xiàn)增大，在調(diào)閥全開后，低壓缸入口溫度測點1和測點2均有大幅下降，溫度降低約180～140 ℃（從溫度開始降低到溫度恢復(fù)正常，時間持續(xù)約3 min）。

圖5 2017年8月17日4#～8#軸振幅值趨勢

2017年6月19日，2號機組結(jié)束檢修工作，6月20日機組檢修后啟動沖轉(zhuǎn)，此后運行期間機組呈現(xiàn)升降負荷階段迅速增大的現(xiàn)象。經(jīng)查，2017年7月間6X測點通頻幅值超過160 μm，2017年8月17日6X測點最大幅值超過220 μm，如圖5所示。頻譜分析顯示振動主要的頻率成分為基頻，屬于強迫振動。上述現(xiàn)象一直延續(xù)至今。

經(jīng)調(diào)查分析，該現(xiàn)象呈現(xiàn)以下主要特點：1）低壓缸軸振與負荷升降直接相關(guān)，負荷在120～190 MW升降階段出現(xiàn)大幅度振動波動；2）相位變化存在一定的規(guī)律，峰值點幅值越大，相位變化越大，其中，5X測點相位在峰值點附近相位變化100°，6X測點相位在峰值點附近相位變化40°；3）振動幅值與各金屬測點溫度、回油溫度、軸封汽溫度、排汽溫度無明顯關(guān)聯(lián)；4）在汽輪機帶負荷之初，低壓缸溫度升高的同時，低壓轉(zhuǎn)子軸振開始增大，或者在低壓缸進汽溫度降低的時候，低壓轉(zhuǎn)子軸振增大；5）在振動波動期間，低壓缸進汽溫度出現(xiàn)下降后迅速上升的趨勢，大約波動140～180℃；6）振動波動現(xiàn)象的發(fā)生有一定的再現(xiàn)性，但也會出現(xiàn)“時來時走”的間歇性特征；7）機組在滿負荷運行與空載運行時，振動平穩(wěn)，幅值較小，相位重復(fù)性好，且無高頻成分的干擾。

3 振動原因分析[1]

1）升降負荷階段產(chǎn)生的振動波動與金屬溫度、回油溫度、低頻波動無關(guān)，排除軸承穩(wěn)定性問題帶來的振動波動。

2）振動大發(fā)生在5#、6#支持軸承，即汽輪機低壓部分，低壓部分蒸汽參數(shù)低，且為對稱雙分流結(jié)構(gòu)，汽封間隙均勻設(shè)計，基本可排除汽流激振；結(jié)合開缸后隔板汽封和徑向汽封均有不同程度的磨損，基本可判定機組振動大產(chǎn)生的原因為動靜碰磨。

4 動靜碰磨原因分析

1）連通管膨脹節(jié)護板卡住變形造成膨脹節(jié)伸縮不暢，使連通管對低壓內(nèi)缸進汽口產(chǎn)生額外的推力，加劇了低壓缸進汽口的疲勞損傷。

2）該項目低壓內(nèi)缸上半布置有供熱蝶閥，為增加低壓缸剛度，布置有如圖6所示兩個支撐板，但低壓內(nèi)缸進汽口由于兩側(cè)支撐板的原因剛度較大（汽缸壁厚為35 mm，支撐板厚度為90 mm），膨脹較慢，蒸汽溫度變化時支撐板熱脹冷縮速度低于汽缸熱脹冷縮速度，引起低壓內(nèi)缸變形并影響到動靜間隙，造成動靜碰磨。支撐板的位置位于低壓正反1～3級支撐持環(huán)處，由現(xiàn)場開缸檢查數(shù)據(jù)看，低壓正反1～3級汽封磨損相對嚴重，最大磨損量達2 mm；其余級次磨損量相對較小，甚至沒有磨痕，這種情況也間接印證了低壓內(nèi)缸中部變形量最大。對低壓內(nèi)缸穩(wěn)態(tài)應(yīng)力進行了計算，如圖7所示。計算結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)下汽缸出現(xiàn)裂紋處應(yīng)力為40 MPa,安全裕度足夠。

圖6 低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)

圖7 內(nèi)缸穩(wěn)態(tài)應(yīng)力計算

3）結(jié)合運行情況統(tǒng)計，該機組在升轉(zhuǎn)速及升負荷過程中，出現(xiàn)的短時間內(nèi)蒸汽溫度驟降的情況，分別為：升轉(zhuǎn)速中低壓主汽溫度低于中排溫度造成低壓缸進汽溫度大幅降低120～80 ℃（100 s內(nèi)降低，最多達到140～150℃）；升負荷過程中溫度降低約180～140 ℃（從溫度開始降低到溫度恢復(fù)正常，時間持續(xù)約3 min），短時間內(nèi)的溫度突降產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。計算結(jié)果表明，在附加短時間溫度熱應(yīng)力后，低壓內(nèi)缸出現(xiàn)裂紋處應(yīng)力超過許用值。

綜上所述，該機組運行中出現(xiàn)振動大的原因為汽缸變形引起的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件碰磨。而造成汽缸變形及局部裂紋的原因主要是連通管膨脹不暢造成的額外推力，低壓內(nèi)缸支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成汽缸熱脹冷縮不暢及局部應(yīng)力過大，機組升轉(zhuǎn)速及升負荷過程中蒸汽溫度突變產(chǎn)生的熱應(yīng)力。低壓內(nèi)缸進汽室處出現(xiàn)裂紋的原因為支撐板設(shè)計不合理，以及啟動和帶負荷過程中進汽溫度突變造成的熱應(yīng)力過大。

5 處理措施

1）對產(chǎn)生了膨脹不暢的連通管及受損汽封進行修復(fù)，并對該連通管進行剛度實驗確認，降低連通管剛度，避免連通管對汽輪機低壓缸產(chǎn)生額外推力。

2）更改低壓內(nèi)缸支撐板結(jié)構(gòu)（如圖8），使低壓內(nèi)缸及低壓內(nèi)缸進汽口不再是由支撐板連接成的一個整體，避免因支撐板剛度過大、熱脹冷縮不暢造成低壓內(nèi)缸變形，從而影響動靜間隙。同時對低壓進汽口出現(xiàn)的裂紋進行修復(fù)補焊，保證機組安全運行。

圖8 低壓內(nèi)缸處理措施

3）更改機組沖轉(zhuǎn)參數(shù)，提高機組熱態(tài)啟動時低壓缸進汽參數(shù)，避免機組升轉(zhuǎn)速過程中出現(xiàn)的蒸汽參數(shù)降低的情況；同時從系統(tǒng)上排查升負荷過程中低壓蒸汽參數(shù)降低的原因，消除蒸汽參數(shù)變化引起的熱應(yīng)力。

6 結(jié)語

通過對該電廠機組設(shè)計及運行情況分析，找出了該汽輪機振動大及低壓內(nèi)缸裂紋的原因，提出了處理措施；經(jīng)過處理后，機組運行過程振動良好，再次開缸后，未發(fā)現(xiàn)汽封磨損情況，證實了上述處理措施是有效的。此次問題處理也為后續(xù)汽輪機組設(shè)計起到了很好的借鑒作用。