陳昱臣，聶貴興，胡 建，唐順歡

（1.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000）

飽和蒸汽輪機(jī)飛車是指采用飽和蒸汽發(fā)電的汽輪機(jī)超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，致使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速失控，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片、軸、汽缸以及管道等裝置嚴(yán)重破壞的惡性事故[1]。每一次飛車事故都給企業(yè)造成了極為嚴(yán)重的后果，為此每一起飛車事故的研討很有必要。

1 事故經(jīng)過(guò)

某公司鋅冶煉采用沸騰爐，鉛冶煉采用艾薩爐、側(cè)吹還原爐、煙化爐，配置5臺(tái)中壓蒸汽余熱鍋爐，高溫?zé)煔庀到y(tǒng)通過(guò)余熱鍋爐利用余熱，產(chǎn)出（120～180）t/h中壓飽和蒸汽。動(dòng)力廠配置了一臺(tái)由德國(guó)KK&K公司制造的LSA58 BM10型汽輪發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組是一套雙胞胎式飽和蒸汽機(jī)組，共有四個(gè)汽缸通過(guò)齒輪箱同時(shí)拖動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，額定容量10.5 MW，汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。事故當(dāng)天，冶金爐減料減風(fēng)，蒸汽供應(yīng)量下降，2#汽輪機(jī)I段進(jìn)汽壓力降至3.1 MPa，溫度降至238℃（聯(lián)鎖停機(jī)條件：進(jìn)汽溫度≤238℃），汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)出聯(lián)鎖停機(jī)信號(hào)，發(fā)電機(jī)解列，作業(yè)人員按照汽輪發(fā)電機(jī)組跳車應(yīng)急程序打開(kāi)低壓蒸汽電動(dòng)排空閥。發(fā)電機(jī)解列后1 s內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速急速升高超過(guò)1 800 r/min，35 s后1#低壓缸崩裂，8 s后2#低壓缸崩裂，事故造成汽輪機(jī)組兩側(cè)低壓缸葉輪、噴嘴、蝸殼等部件嚴(yán)重?fù)p壞。

2 原因分析

2.1 事故運(yùn)行狀況分析

1） 根據(jù)汽輪機(jī)PLC與DCS的報(bào)警及停機(jī)事件記錄（見(jiàn)圖1） 分析，汽輪機(jī)PLC系統(tǒng)在檢測(cè)到蒸汽溫度小于設(shè)定值238℃時(shí)，發(fā)出了停機(jī)指令，發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷解列，發(fā)電機(jī)解列后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不降反升，并超出儀表量程，整個(gè)超速過(guò)程持續(xù)6 min。發(fā)電機(jī)解列后2#汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽流量仍有34.2 t/h，事故發(fā)生后才逐步從33.4 t/h下降至13.5 t/h。

圖1 事故時(shí)汽輪機(jī)組DCS、PLC運(yùn)行曲線Fig.1 DCS,PLC operation curve of steam turbine set when accident occurs

從超速破壞發(fā)生的機(jī)理分析，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子上的部件在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，受到離心力F=m×r×ω2作用，離心力與角速度的平方呈正比關(guān)系，且受力點(diǎn)隨著周圓半徑增大也成幾何增長(zhǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子固有頻率轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)會(huì)突然變大，即發(fā)生共振，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)固有頻率轉(zhuǎn)速后，振動(dòng)增幅降低，并將穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近2倍固有頻率時(shí)，振幅又會(huì)急速增大，從而致使動(dòng)靜摩擦振動(dòng)繼續(xù)增加軸系失穩(wěn)，轉(zhuǎn)子及附件飛離汽輪機(jī)腔室。

發(fā)電機(jī)解列后，蒸汽未能及時(shí)切斷是導(dǎo)致汽輪機(jī)超速發(fā)生飛車的直接原因；

2） 事故后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試1#、2#汽輪機(jī)高、低壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、緊急關(guān)斷閥的伺服閥。正常狀況下，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥接收閥位指令，閥門(mén)根據(jù)信號(hào)調(diào)節(jié)開(kāi)度；緊急關(guān)斷閥接收信號(hào)，閥門(mén)執(zhí)行開(kāi)關(guān)。但在啟動(dòng)輔助油泵后，2#機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、緊急關(guān)斷閥的伺服閥在未給指令的情況下自動(dòng)開(kāi)啟，油泵停運(yùn)后伺服閥處于開(kāi)位，閥門(mén)狀況異常。

通過(guò)測(cè)試閥門(mén)，結(jié)果顯示，2#汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、緊急關(guān)斷閥異常，是造成蒸汽未能及時(shí)切斷的直接原因；

3） 對(duì)1#、2#汽輪機(jī)高、低壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、緊急關(guān)斷閥、濾芯、油泵等進(jìn)行拆解（見(jiàn)圖2、圖3）。拆解時(shí)活塞卡死，使用銅棒才強(qiáng)行拆解，拆解后發(fā)現(xiàn)2#機(jī)高、低壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、緊急關(guān)斷閥的伺服閥活塞腔室有黑色膠狀物；拆解的油濾芯也顯示2#機(jī)濾芯膠狀物遠(yuǎn)多于1#機(jī)；拆解油泵腔體內(nèi)有結(jié)膠，主齒輪軸向磨損明顯。

圖2 解體后的伺服閥活塞Fig.2 Servo valve piston after disintegration

圖3 拆解后的濾芯和油泵Fig.3 Filter element and oil pump after disassembling

從潤(rùn)滑油結(jié)膠的機(jī)理來(lái)分析，潤(rùn)滑油在使用過(guò)程中與空氣和金屬材料接觸并處于一定的溫度條件，潤(rùn)滑油發(fā)生氧化，逐漸產(chǎn)生可溶的極性物質(zhì)（抗氧化劑及基礎(chǔ)油的降解物），當(dāng)極性物質(zhì)的含量超過(guò)汽輪機(jī)油的溶解度或溫度下降后，就會(huì)析出沉淀在機(jī)械系統(tǒng)的各個(gè)地方，尤其是金屬表面上，形成油泥和漆膜，而油泥和漆膜又進(jìn)一步促進(jìn)油的氧化，并加劇潤(rùn)滑油結(jié)膠。油泥、漆膜均是油品變質(zhì)的產(chǎn)物，漆膜與油泥的區(qū)別為：相比較而言，漆膜生成溫度高一些，而低溫更有利于油泥的生成，油泥中含有一定量的水分。油泥一般通過(guò)油路沉積在油箱內(nèi)，而漆膜則會(huì)粘結(jié)在油路、齒輪、軸承、腔體等表面，從而帶來(lái)管道堵塞、危害更大。

結(jié)合設(shè)備的拆解情況和潤(rùn)滑油結(jié)膠機(jī)理，可以得出：潤(rùn)滑油結(jié)膠是進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、緊急關(guān)斷閥卡塞的直接原因[2]；

4） 對(duì)1#、2#機(jī)油箱中的油品取樣分析。內(nèi)部質(zhì)檢部門(mén)分析油樣的40℃、100℃的運(yùn)動(dòng)粘度、粘度指數(shù)、機(jī)械雜質(zhì)、硫乳化時(shí)間、水分6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均顯示正常。

將1#機(jī)油箱油樣、2#機(jī)油箱油樣、新油樣3個(gè)油樣送第三方機(jī)構(gòu)分析。分析結(jié)果顯示2個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)異常：①外觀方面，1#機(jī)油樣為“棕色透明液體”、2#機(jī)油樣為“棕色不透明液體”、新油樣為“淺黃色透明液體”；②漆膜傾向指標(biāo)，1#機(jī)油樣為16.1、2#機(jī)油樣達(dá)到18.2，新油對(duì)比樣則低至0.2，詳見(jiàn)表1。

表1 潤(rùn)滑油第三方監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.1 Lubricating oil's third-party monitoring results

漆膜傾向指數(shù)可用于推斷油液或設(shè)備狀況，漆膜生成較嚴(yán)重，需處理或換油，以避免影響設(shè)備正常使用[3]。從油液漆膜產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)分析，漆膜產(chǎn)生的主要有兩個(gè)因素：①油品發(fā)生氧化；②油液發(fā)生“微燃燒”。研究表明，溫度、水、空氣和金屬催化劑是加速潤(rùn)滑油氧化變質(zhì)的根本原因，并存在以下規(guī)律：油液溫度每提高10℃，氧化速率增加1倍；超過(guò)一定量的水分可使油品氧化速度增加10倍以上；隨著油液中空氣含量的增加，氧化生成的漆膜也線性增加；油液中的金屬顆粒作為催化劑會(huì)加速油品氧化，而油液“微燃燒”則是局部高溫造成，相對(duì)而言，油品氧化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，而油品絕熱“微燃燒”生成漆膜的速度要快得多[4]。

從油樣分析對(duì)比結(jié)果也可以得出，油液漆膜的生成是造成進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、緊急關(guān)斷閥卡塞的主要原因；

5）事故發(fā)生2個(gè)月前，動(dòng)力廠對(duì)2#汽輪機(jī)進(jìn)行了檢修，2臺(tái)汽輪機(jī)的油系統(tǒng)均進(jìn)行了清理，并將老油更換成了同品牌潤(rùn)滑油，所更換的新潤(rùn)滑油，在更換前未送檢分析，運(yùn)行過(guò)程中也未定期取樣分析。新潤(rùn)滑油才使用短短2個(gè)月就發(fā)生了較大劣化，為分析潤(rùn)滑油快速劣化的原因，對(duì)透平機(jī)在事故前監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值進(jìn)行分析。2#透平機(jī)的大齒輪軸自由端軸向振動(dòng)值有3個(gè)月處于（13～27） mm/s左右，最高時(shí)高達(dá)35 mm/s，嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值5 mm/s，至事故前1個(gè)月2#透平機(jī)的振動(dòng)值惡化，范圍擴(kuò)大至高壓缸軸端的垂直振動(dòng)值、大齒輪軸負(fù)荷側(cè)軸向振動(dòng)、低壓缸軸端的軸向振動(dòng)值等四個(gè)點(diǎn)。

從拆解后的1#、2#齒輪外觀，2#機(jī)軸瓦油路、齒輪表面的顏色也比1#機(jī)深，漆膜更嚴(yán)重，驗(yàn)證了2#機(jī)振動(dòng)異常后，齒輪發(fā)熱導(dǎo)致潤(rùn)滑油劣化加速。所以汽輪機(jī)的長(zhǎng)期異常運(yùn)行是引發(fā)潤(rùn)滑油快速劣化的根本原因[5]。

2.2 事故原因邏輯關(guān)系

2#汽輪機(jī)軸端振動(dòng)異常，導(dǎo)致溫度傳動(dòng)部位溫度升高，引發(fā)潤(rùn)滑油漆膜生成加速，在運(yùn)行過(guò)程中因未監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油質(zhì)量，潤(rùn)滑油劣化趨勢(shì)未能得到及時(shí)警示，劣化超過(guò)臨界狀態(tài)后，將進(jìn)汽切斷閥和調(diào)節(jié)閥卡死，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)達(dá)到發(fā)電機(jī)解列條件時(shí)，因控制邏輯缺陷，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)在未切斷汽源的情況下首先解列，而源源不斷的蒸汽持續(xù)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，在沒(méi)有發(fā)電機(jī)拖拽的情況下，汽輪機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，葉片和軸的離心力超過(guò)材料的強(qiáng)度和剛度，從而出現(xiàn)了葉片飛離、軸扭斷的后果。

2.3 事故原因

通過(guò)分析，該機(jī)組飛車的直接原因?yàn)榫o急關(guān)斷閥、進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的伺服閥活塞因結(jié)膠卡死，致使緊急關(guān)斷閥、進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥收到指令后無(wú)法關(guān)閉及時(shí)切斷汽源，蒸汽持續(xù)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)葉輪加速旋轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致汽輪機(jī)飛車。而引發(fā)飛車的原因還有以下幾方面：

1） 發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷邏輯存在缺陷，PLC連鎖停機(jī)條件是進(jìn)汽溫度和壓力任一條件達(dá)到后即解列發(fā)電機(jī)，與《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》 （國(guó)能安全2014年161號(hào)） “系統(tǒng)檢測(cè)到緊急關(guān)斷閥、進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥關(guān)閉反饋信號(hào)后，再執(zhí)行機(jī)組解列，利用機(jī)組逆功率保護(hù)使機(jī)組安全停運(yùn)?！钡囊?guī)定不相符[6]；

2）汽輪機(jī)長(zhǎng)期帶病運(yùn)行。事故之前2#汽輪機(jī)大修前軸向振動(dòng)超標(biāo)準(zhǔn)（最高12.8 mm/s，標(biāo)準(zhǔn)值5 mm/s），檢修后齒輪箱振動(dòng)未得到根本改善，并伴隨汽輪機(jī)運(yùn)行逐步增大，部分監(jiān)控點(diǎn)位超標(biāo)準(zhǔn)（4～7）倍，汽輪機(jī)帶病運(yùn)行，機(jī)械部位受力不均，加劇磨損，局部發(fā)熱，加速了潤(rùn)滑油劣化（結(jié)膠），促使汽機(jī)潤(rùn)滑油漆膜指數(shù)在2個(gè)月的運(yùn)行中快速?gòu)?.2升高至18.2[7]；

3）大型設(shè)備大修前后潤(rùn)滑油管理缺失關(guān)鍵管控，暴露出潤(rùn)滑油監(jiān)控檢測(cè)不嚴(yán)。2#透平機(jī)大修后更換了潤(rùn)滑油，但在開(kāi)車之前及機(jī)組投運(yùn)后沒(méi)有對(duì)潤(rùn)滑油取樣進(jìn)行外觀檢查、分析化驗(yàn)，沒(méi)能及時(shí)掌握潤(rùn)滑油劣化的狀況；

4）對(duì)潤(rùn)滑油結(jié)膠、漆膜的產(chǎn)生機(jī)理沒(méi)有深刻認(rèn)識(shí)。長(zhǎng)期運(yùn)行管理中對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油檢驗(yàn)指標(biāo)局限于抗乳化度、水溶解度、酸度、運(yùn)動(dòng)黏度等常規(guī)指標(biāo)，而未認(rèn)識(shí)到漆膜指數(shù)是潤(rùn)滑油結(jié)膠傾向的關(guān)鍵指標(biāo)；

5）測(cè)速儀表量程偏低，超速后，無(wú)法觀察記錄真實(shí)速度。

3 采取措施及效果

本起事故中，若發(fā)電機(jī)解列邏輯正確或者切斷閥正常動(dòng)作，滿足任一個(gè)條件，都必然不會(huì)造成嚴(yán)重后果。所以采取的第一個(gè)措施是：嚴(yán)格按《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》 （國(guó)能安全 [2014]161號(hào)）的要求，首先是完善聯(lián)鎖保護(hù)邏輯，發(fā)電機(jī)解列動(dòng)作必須在接收到緊急關(guān)斷閥關(guān)閉信號(hào)，有功功率降為零，才會(huì)觸發(fā)發(fā)電機(jī)解列，更換了測(cè)速儀表，并定期試驗(yàn)緊急切斷閥、泄壓裝置等安全裝置。

若該汽輪機(jī)組能及時(shí)消除振動(dòng)過(guò)大的隱患，就不會(huì)因振動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致溫度升高快速惡化潤(rùn)滑油，故采取的第二個(gè)措施是調(diào)整軸端，徹底調(diào)校軸系動(dòng)、靜平衡，消除振動(dòng)隱患后再運(yùn)行機(jī)組，杜絕帶病運(yùn)行。

第三個(gè)措施是汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，嚴(yán)格按規(guī)定對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展超速保護(hù)試驗(yàn)[8]。

最后是更換故障進(jìn)汽閥門(mén)，更換合格的潤(rùn)滑油品，加油前取樣分析，分析合格后投用，大修后沖洗干凈油路，并取樣分析，汽機(jī)運(yùn)行后每?jī)芍苋臃治鲆淮?，運(yùn)行滿1個(gè)月后分析漆膜傾向指數(shù)，適時(shí)監(jiān)控潤(rùn)滑油品質(zhì)量變化情況。

通過(guò)以上措施，該起飛車事故中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題全部得以解決，汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

潤(rùn)滑油的管理對(duì)于汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要，可以通過(guò)潤(rùn)滑油的狀況監(jiān)測(cè)及時(shí)掌握機(jī)組情況。在日常潤(rùn)滑管理中嚴(yán)格遵守以下要求：

1）應(yīng)制定嚴(yán)格的油品管理規(guī)則，建立潤(rùn)滑油檔案，明確油品的購(gòu)置標(biāo)準(zhǔn)、儲(chǔ)存時(shí)限、機(jī)組更換油品的取樣要求、油品化驗(yàn)項(xiàng)目等；

2）透平機(jī)潤(rùn)滑油分析指標(biāo)中，必須分析漆膜傾向指數(shù)；

3）嚴(yán)格控制透平機(jī)潤(rùn)滑油的倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間，超過(guò)三個(gè)月的在加油前必須取樣檢驗(yàn)；

4）機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易造成潤(rùn)滑油油泥、結(jié)膠物質(zhì)沉積在潤(rùn)滑油流經(jīng)的各個(gè)機(jī)械系統(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)。設(shè)備檢修和潤(rùn)滑油更換應(yīng)全方位清洗油路，避免出現(xiàn)油路中的雜質(zhì)污染新油；

5）機(jī)組大中修后，應(yīng)在開(kāi)車之前兩天，對(duì)油箱中的油進(jìn)行化驗(yàn)，透平機(jī)油應(yīng)化驗(yàn)抗乳化度、水溶解度、酸度值等。運(yùn)行一個(gè)月后分析漆膜傾向指數(shù)；

6）注油箱、循環(huán)油槽及過(guò)濾網(wǎng)每月應(yīng)進(jìn)行清洗。