趙未佳

（中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516000 ）

0 引言

汽輪機(jī)是石油化工生產(chǎn)中利用清潔高溫、高壓蒸汽能源為介質(zhì)驅(qū)動(dòng)的重要的動(dòng)力設(shè)備，也是提高效率，能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵機(jī)組。汽輪機(jī)的良好運(yùn)行對(duì)裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)和提升經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要汽輪機(jī)的動(dòng)力介質(zhì)來(lái)源于蒸汽鍋爐所生產(chǎn)的520 ℃、11.5 MPa的超高壓蒸汽，汽輪機(jī)的超高壓蒸汽入口管道與速關(guān)閥法蘭連接，速關(guān)閥與調(diào)節(jié)閥前后連接成為一個(gè)缸體，調(diào)節(jié)閥底部與汽輪機(jī)缸體螺栓緊固連接。超高壓蒸汽通過(guò)入口法蘭進(jìn)入速關(guān)閥，再進(jìn)入調(diào)節(jié)閥被控 制蒸汽流量，從而進(jìn)入汽輪機(jī)缸體內(nèi)推動(dòng)轉(zhuǎn)子做功。汽封在缸體兩端頭和轉(zhuǎn)軸的平衡活塞均存在。因要對(duì)缸內(nèi)超高壓蒸汽起到節(jié)流減壓密封作用，汽封處的配合間隙是轉(zhuǎn)子與缸體徑向間隙的最小位置，徑向軸瓦是支撐、定位汽機(jī)轉(zhuǎn)子的重要部件，軸瓦內(nèi)與轉(zhuǎn)子配合，外與瓦枕配合。入口管道內(nèi)的蒸汽，在各蒸汽通道部件的作用下進(jìn)入缸內(nèi)推動(dòng)轉(zhuǎn)子，各蒸汽通道部件也承受著超高壓和高溫蒸汽的動(dòng)能和熱能，即各部件的熱膨脹量、熱脹差、動(dòng)力推移。任何超過(guò)允許的膨脹、脹差、推移量都可能給機(jī)組帶來(lái)嚴(yán)重傷害。

1 研究方法

文章以汽輪機(jī)的非驅(qū)端徑向軸瓦振動(dòng)高高報(bào)警跳車(chē)事故為例。從汽輪機(jī)故障的發(fā)生到穩(wěn)定運(yùn)行，一步一步分析和處理汽輪機(jī)在超高壓蒸汽入口管道設(shè)計(jì)安裝不合理時(shí)，缸體被推移引起平衡活塞處的汽封碰擦，從而導(dǎo)致軸瓦處振動(dòng)高高跳車(chē)原因。

2 故障與分析

2.1 入口管道對(duì)缸體的作用力

某廠新增項(xiàng)目上的23 MW汽輪機(jī)，作為發(fā)電機(jī)組的驅(qū)動(dòng)機(jī)。在機(jī)組施工安裝完后，啟動(dòng)機(jī)組做相關(guān)性能和安全的實(shí)驗(yàn)階段，額定轉(zhuǎn)速時(shí)非驅(qū)動(dòng)端徑向軸瓦高高報(bào)警引發(fā)機(jī)組跳車(chē)。檢查現(xiàn)場(chǎng)主要情況是前后貓抓處打的百分表的數(shù)據(jù)，前右側(cè)百分表的數(shù)值明顯大于前左側(cè)百分表的數(shù)值，如表1所示。同時(shí)在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中似乎聽(tīng)到缸體內(nèi)有一聲異響。

表1 汽輪機(jī)前后貓抓徑向百分表數(shù)值

檢查工藝操作流程，均按照已成熟使用的設(shè)備操作法，盤(pán)車(chē)、暖管、暖機(jī)、升速及實(shí)驗(yàn)等。分析百分表的數(shù)值，不同數(shù)值說(shuō)明了汽輪機(jī)缸體向前右偏移。拆開(kāi)汽輪機(jī)兩速關(guān)閥處入口法蘭，發(fā)現(xiàn)往前右一邊推擠，嚴(yán)重不對(duì)中，法蘭螺栓無(wú)法正常取出。

檢查汽輪機(jī)蒸汽入口管道。因裝置開(kāi)車(chē)以后，蒸汽鍋爐因負(fù)荷需要多增加了一臺(tái)，所以此臺(tái)汽輪機(jī)是隨蒸汽負(fù)荷新上機(jī)組，管線的安裝空間有限，管道設(shè)計(jì)彎折較多，從機(jī)前左側(cè)主路進(jìn)氣至汽輪機(jī)底部后分兩路進(jìn)入速關(guān)閥，而管道的固定只有豎直方向的彈簧吊架，水平方向則是自由量。這樣入口管道內(nèi)的超高壓蒸汽在強(qiáng)大動(dòng)能下沖擊管道，管道傳遞力矩到速關(guān)閥法蘭，整個(gè)橫向力在作用在缸體上，使其發(fā)生偏移[1]。

2.2 工頻突出

變更設(shè)計(jì)，重新安裝限位管道。在兩速關(guān)閥的下方中間加裝水平方向的限位架，抵抗超高壓蒸汽的動(dòng)能，減弱沖擊汽輪機(jī)缸體力矩,重新對(duì)中復(fù)位入口管道法蘭。調(diào)整外缸下部的定位搭子，使前外汽封四周間隙均勻符合要求。復(fù)查機(jī)組軸對(duì)中狀態(tài)。完成機(jī)組所有檢修后，再次啟動(dòng)汽輪機(jī)測(cè)試相關(guān)性能,隨著操作逐漸提高轉(zhuǎn)速，振動(dòng)值也逐漸上升,最終在振動(dòng)接近高跳車(chē)時(shí)手動(dòng)拍停汽輪機(jī)[2]。

停機(jī)檢查，對(duì)比各貓抓處百分表的數(shù)據(jù)，缸體偏移量減小，主要差值是熱脹量，如表2所示,判斷入口管道的重新限位起了作用。但是,非驅(qū)端軸承箱里，轉(zhuǎn)軸前端的跳動(dòng)值達(dá)到0.16 mm，軸前瓦附近有一定彎曲,同時(shí)啟機(jī)時(shí)掛的頻譜分析儀顯示汽輪機(jī)的一倍頻最高。這也是轉(zhuǎn)子彎曲或碰擦產(chǎn)生不平衡力的頻譜特征。

表2 汽輪機(jī)前后貓抓徑向百分表數(shù)值

由于受到?jīng)_擊和一些非線性因素的影響，出現(xiàn)了少量的分頻和高頻分量。倍頻也是在多轉(zhuǎn)速下均出現(xiàn)，說(shuō)明整個(gè)汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，這一不平衡力一直存在。隨著轉(zhuǎn)速的升高，不平衡量加大。帶有少量的半倍頻，可能是前軸瓦油膜被轉(zhuǎn)軸前端彎曲度影響破壞而形成。綜合第一次啟機(jī)被忽略的一聲異響，汽輪機(jī)在第一次啟機(jī)的過(guò)程中可能受管線影響，缸體移動(dòng)。轉(zhuǎn)子有與缸體碰擦至彎曲的可能[3]。

2.3 平衡活塞汽封磨損嚴(yán)重

為進(jìn)一步確定汽輪機(jī)故障分析和解決方案,將汽輪機(jī)廠家技術(shù)人員請(qǐng)到廠區(qū)，檢查汽輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)和系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。分析研討后，廠家技術(shù)人員給出的回復(fù)與機(jī)組人員分析基本一致,于是決定現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)缸檢查。

開(kāi)缸后檢查汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、內(nèi)缸、葉片、靜葉、汽封等狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉外環(huán)和內(nèi)缸汽封，靜葉內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)子有輕微摩擦。但是平衡活塞處的汽封磨損嚴(yán)重,汽封片有部分已脫離，大多數(shù)已坍塌磨平,汽封處有發(fā)藍(lán)過(guò)熱的現(xiàn)象。再測(cè)整個(gè)轉(zhuǎn)子的彎曲度，在整個(gè)轉(zhuǎn)軸上從前到后多處安裝百分表，特別是轉(zhuǎn)子需要配合的地方,盤(pán)車(chē)打表數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，前端的打表數(shù)值偏大。

經(jīng)過(guò)廠家技術(shù)人員和機(jī)組各方人員再一次討論分析，轉(zhuǎn)子不能繼續(xù)使用。轉(zhuǎn)子在第一次啟機(jī)試驗(yàn)時(shí)就因管道應(yīng)力作用在缸體上，而缸體的反作用力不足以抵抗介質(zhì)為超高壓蒸汽的管道應(yīng)力，即產(chǎn)生缸體偏移，汽封碰磨。

在經(jīng)過(guò)管道重新設(shè)計(jì)安裝，汽輪機(jī)缸體底部搭子螺栓調(diào)整，缸體和轉(zhuǎn)子恢復(fù)到同心對(duì)中后，嚴(yán)重?fù)p壞的汽封摩擦和轉(zhuǎn)子碰擦產(chǎn)生的軸彎曲度使第二次的啟機(jī)試驗(yàn)再次失敗，非驅(qū)動(dòng)端軸瓦振動(dòng)持續(xù)上升超過(guò)報(bào)警值。

在這些研討分析下，轉(zhuǎn)子確定返廠維修。返修內(nèi)容主要包含：一是內(nèi)缸和轉(zhuǎn)軸上的汽封更換；二是重新調(diào)校轉(zhuǎn)子的彎曲度，需要符合技術(shù)要求；三是檢查轉(zhuǎn)子過(guò)熱部分是否對(duì)轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度有影響；四是對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子重新做動(dòng)靜平衡[4]。

汽封碰擦情況如圖1所示。

圖1 汽封碰擦情況

3 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)子和汽封修復(fù)后，重新回裝試車(chē)。汽輪機(jī)啟機(jī)至額定轉(zhuǎn)述，再到負(fù)載掛滿(mǎn)，非驅(qū)動(dòng)端軸瓦處的振動(dòng)一直處于范圍內(nèi)。機(jī)組掛的頻譜分析儀顯示，頻譜峰值在通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速后立刻下降，缸體四個(gè)貓爪的百分表數(shù)值差別不大，沒(méi)有發(fā)生偏移，汽輪機(jī)各項(xiàng)性能試驗(yàn)也均完成，且連續(xù)帶負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行超72 h。因此，這臺(tái)汽輪機(jī)振動(dòng)高高報(bào)警跳車(chē)故障的檢維修工作完成。

此臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)生前軸瓦振動(dòng)高高跳車(chē)，但根本原因不再汽輪機(jī)本體，而是入口的超高壓蒸汽管道不合適的設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的介質(zhì)推力。在試車(chē)時(shí)管道推動(dòng)汽輪機(jī)缸體。而缸體的反作用力不足以抵抗管道的推力，造成高壓段內(nèi)缸的平衡活塞汽封偏移，與轉(zhuǎn)軸碰擦。高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子汽封處的摩擦產(chǎn)生高溫過(guò)熱，碰擦也造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輕微彎曲。

汽輪機(jī)屬于關(guān)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，在超高壓蒸汽的介質(zhì)作用下，轉(zhuǎn)子和缸體以及各蒸汽通道部件均承受著高溫高壓的熱脹力和動(dòng)壓力。而轉(zhuǎn)子和缸體的配合較為精密，汽封處因節(jié)流降壓，配合間隙僅0.3～0.4 mm。因而整個(gè)缸體和轉(zhuǎn)子，包括軸承座允許承受不平衡力的限制非常嚴(yán)格。

在汽輪機(jī)機(jī)組管線設(shè)計(jì)中，最需要注意的地方就是必須滿(mǎn)足管系整體的柔性要求，以及汽輪機(jī)廠家提出的管口受力要求。在布置規(guī)劃時(shí)充分考慮廠房的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以利用廠房的結(jié)構(gòu)梁作支撐，限位管線熱脹力和動(dòng)壓力，減小作用在汽輪機(jī)缸體上應(yīng)力以達(dá)到廠家的技術(shù)要求。