李 浩

(中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司西北電力試驗研究院,陜西 西安 710021)

振動是汽輪發(fā)電機組運行中較為普遍的一種現(xiàn)象，其數(shù)值大小是評價機組能否安全穩(wěn)定運行的重要指標(biāo)。汽輪機發(fā)電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)故障，均會引起機組振動問題。聯(lián)軸器作為聯(lián)接汽輪發(fā)電機組各轉(zhuǎn)子的重要組成部分，出現(xiàn)松動或失效現(xiàn)象，會形成新的擾動力引發(fā)汽輪機發(fā)電機組異常振動，影響機組安全可靠運行。

聯(lián)軸器螺栓松動是引起振動的常見故障，診斷不及時或故障判斷不準(zhǔn)確，可引起聯(lián)軸器螺栓斷裂，鍛煉的螺栓卡在聯(lián)軸器螺栓孔內(nèi)，造成聯(lián)軸器法蘭裂紋，造成轉(zhuǎn)子損壞事故，嚴(yán)重的可引起汽輪機超速或汽輪機飛車事故。聯(lián)軸器螺栓松動會影響軸系中心變化，也影響扭矩傳遞的均勻性，從而引起軸系振動[1][2]。由螺栓松動引起的軸系振動容易在變負(fù)荷過程中發(fā)生，其頻率是基頻，且是突變過程。同時，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)振動和機組低轉(zhuǎn)速下振動均會出現(xiàn)明顯變化[3][4]。

機組的支承結(jié)構(gòu)不同，一般分為單支承結(jié)構(gòu)或雙支承結(jié)構(gòu)，聯(lián)軸器相對與軸承的位置不同，由聯(lián)軸器故障引發(fā)的振動特征會出現(xiàn)差異。對于單支承結(jié)構(gòu)，聯(lián)軸器在支承轉(zhuǎn)子的軸承跨內(nèi)，其故障可產(chǎn)生類似轉(zhuǎn)子裂紋的故障特征。對于雙支承轉(zhuǎn)子，聯(lián)軸器在轉(zhuǎn)子支承軸承的跨外，其振動表現(xiàn)為一般聯(lián)軸器故障特征。本文通過一起汽輪機振動異常分析和聯(lián)軸器螺栓松動診斷過程，總結(jié)了兩種支承結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器螺栓松動故障特征，為同類型機組轉(zhuǎn)子振動的故障診斷提供參考。

1 機組概述

某電站2號機組配備東方汽輪機廠生產(chǎn)的CZK200/160-12.7/0.294/535/535型亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽直接空冷、供熱凝汽式汽輪機。機組結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。機組共有8個支承軸瓦。高壓轉(zhuǎn)子采取單支承結(jié)構(gòu)，1號軸承為高壓轉(zhuǎn)子支承軸承，2、3號軸承為中壓轉(zhuǎn)子支承軸承，4、5號軸承為低壓轉(zhuǎn)子支承軸承，6、7號軸承為發(fā)電機轉(zhuǎn)子支承軸承，8號軸承為勵磁機支承軸承。1～7號軸承各有兩個X和Y向相對軸振動測點和一個軸承振動測定，8號軸承無振動測點。該機組于2019年完成檢修，2021年，運行中1瓦出現(xiàn)振動波動，且停機過程振動出現(xiàn)異常。

2 振動特征

2.1 運行中振動變化特征

圖2為機組運行中1、2、3、4、5瓦軸振變化趨勢?？梢钥闯?，機組負(fù)荷穩(wěn)定工況下，1、2、3、4、5瓦軸振均出現(xiàn)同步波動，1、2、3瓦軸振波動幅度大，振動最大超過200μm。

表1為振動波動前后各瓦振動值列表?？梢钥闯?，1瓦振動嚴(yán)重超標(biāo)，振動最大為358μm。主要為一倍頻變化，同時二倍頻出現(xiàn)明顯變化。3瓦二倍頻幅值變化較大。振動變化時，1、2瓦間隙電壓變化明顯。

表1 變化前后振動值對比

2.2 停機振動變化特征

1瓦振動嚴(yán)重超標(biāo)，電站申請停機檢查。圖3為機組停機過程1瓦Y向振動bode圖?？梢钥闯鐾C過程1瓦Y向臨界區(qū)振動出現(xiàn)跳變。歷次1瓦處測得臨界轉(zhuǎn)速在1800r/min至1834r/min之間，本次停機臨界轉(zhuǎn)速在1558r/min以下，臨界轉(zhuǎn)速明顯降低。

圖4為停機過程2瓦Y向二倍頻分量趨勢圖?？梢钥闯觯?瓦Y向振動二倍頻明顯增加(歷次啟停機過程2瓦二倍頻分量均小于20μm)，且二倍頻振動最大時，轉(zhuǎn)速為914r/min，為一階臨界轉(zhuǎn)速一般，即出現(xiàn)明顯負(fù)臨界現(xiàn)象。

表2為歷次啟停機振動列表。可以看出本次停機過程，2瓦Y向在393r/min時，振動明顯增大，超過120μm。852r/min時，2瓦振動明顯增大，且相比歷次振動表現(xiàn)為反向。3瓦Y向在393r/min時，振動明顯增大，相位變化較大。4瓦Y向在393r/min時相位變化較大。

表2 歷次啟停機各轉(zhuǎn)速下振動值列表

3 振動原因分析

3.1 運行中1、2瓦振動波動原因分析

運行中1瓦振動頻繁波動，主要表現(xiàn)為一倍頻，且振動能在降負(fù)荷后恢復(fù)，診斷故障原因為動靜碰摩。同時間隙電壓出現(xiàn)明顯變化，說明在振動變化時，轉(zhuǎn)子中心位置發(fā)生變化，也就是動靜間隙發(fā)生變化，引起動靜摩擦，產(chǎn)生振動波動。1、2、3瓦振動變化最明顯且波動頻繁，判斷摩擦部位為油檔部位。

3.2 停機過程1、2瓦振動原因分析

停機過程1、2瓦振動出現(xiàn)以下異常：1瓦出測得轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速明顯降低；低轉(zhuǎn)速2瓦振動嚴(yán)重超標(biāo)。2瓦處出現(xiàn)負(fù)臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間明顯降低說明轉(zhuǎn)子剛度或軸瓦支承剛度出現(xiàn)明顯減弱，及出現(xiàn)負(fù)臨界現(xiàn)象[1]。轉(zhuǎn)子剛度減弱的原因可能為出現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋或類似裂紋故障[5][6]。

轉(zhuǎn)子裂紋的主要特征有：(1)因轉(zhuǎn)子橫向裂紋破壞了轉(zhuǎn)子截面的對稱性，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動中會出現(xiàn)二倍頻振動分量。(2)當(dāng)裂紋擴展到一定深度后，轉(zhuǎn)軸會發(fā)生完全，這種彎曲后的轉(zhuǎn)子會使其低速轉(zhuǎn)動時的原始晃度發(fā)生變化。(3)升、降速過程中，轉(zhuǎn)子在通過一階臨界轉(zhuǎn)速時振動的基頻分量明顯增大，(4)通過1/2臨界轉(zhuǎn)速(即負(fù)臨界)時會出現(xiàn)1個明顯的二倍頻振動峰值[6][7][8]。

根據(jù)以上振動表現(xiàn)，與裂紋故障特征的第1、2、4條吻合。2號機組為高中壓轉(zhuǎn)子分缸結(jié)構(gòu)，高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子為三支承結(jié)構(gòu)，高壓轉(zhuǎn)子-中壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器在1瓦和2瓦之間，該支承結(jié)構(gòu)形式使聯(lián)軸器成為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸一部分。該處聯(lián)軸器出現(xiàn)螺栓松動，運行中聯(lián)軸器出現(xiàn)開合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子剛度降低，產(chǎn)生類似轉(zhuǎn)子裂紋的振動特征，即轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速降低，出現(xiàn)負(fù)臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象，低轉(zhuǎn)速下振動超標(biāo)等異常。此外，聯(lián)軸器螺栓松動引起轉(zhuǎn)子剛度降低，引起轉(zhuǎn)子撓度變大，引起動靜碰摩，出現(xiàn)運行中1瓦振動大幅波動現(xiàn)象。低轉(zhuǎn)速下2瓦振動值明顯大于以前啟停機過程對應(yīng)轉(zhuǎn)速的振動值，而且相位反相，說明2瓦處轉(zhuǎn)子晃度明顯變化，1瓦臨界轉(zhuǎn)速區(qū)振動出現(xiàn)異常跳變能夠佐證聯(lián)軸器松動的判斷[6][7][8]。

軸瓦工作狀態(tài)出現(xiàn)異?；蜉S瓦出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，引起轉(zhuǎn)子中心位置變化，同樣會造成運行中出現(xiàn)動靜碰摩，引起1瓦振動超標(biāo)現(xiàn)象。同時，軸瓦工作狀態(tài)異常，造成支承剛度減弱，導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)速降低，低轉(zhuǎn)速下振動超標(biāo)等現(xiàn)象[9]。但軸瓦嚴(yán)重?fù)p壞后，該軸瓦或相鄰軸瓦溫度會出現(xiàn)明顯變化，實際中軸瓦溫度相對穩(wěn)定，故排除軸瓦故障的可能性。

3.3 3、4瓦振動原因分析

運行中3、4瓦振動出現(xiàn)頻繁波動，且低轉(zhuǎn)速下3、4瓦振動幅值或相位變化較大，同樣能夠判斷出中壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器出現(xiàn)松動故障，造成軸系穩(wěn)定性下降，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)抗干擾能力下降，易引起振動波動現(xiàn)象。此外，中壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓松動，運行中出現(xiàn)周向或徑向位移，改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡質(zhì)量分布，表現(xiàn)為一倍頻變化。

松動后對中狀況發(fā)生變化，引起低轉(zhuǎn)速下振動值變化。由于該聯(lián)軸器處于中壓轉(zhuǎn)子或低壓轉(zhuǎn)子跨外，故未能引起臨界轉(zhuǎn)速降低、負(fù)臨界、二倍頻振動增大等類似轉(zhuǎn)子裂紋現(xiàn)象。

4 檢修檢查結(jié)果

檢修檢查發(fā)現(xiàn)，高壓轉(zhuǎn)子-中壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓共12根全部出現(xiàn)松動現(xiàn)象，中壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓共12根全部出現(xiàn)松動現(xiàn)象，軸瓦無異常。復(fù)緊聯(lián)軸器螺栓后，機組啟動過程bode圖形態(tài)與歷次無明顯差異，臨界轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常，運行中振動穩(wěn)定。

分析螺栓松動原因，發(fā)現(xiàn)機組在2019年大修時，未按照制造廠規(guī)定，使用專用工具，測量聯(lián)軸器螺栓伸長量，只是依照經(jīng)驗將螺栓打緊，導(dǎo)致某些螺栓預(yù)緊力不足。在機組啟停及負(fù)荷變動過程中，產(chǎn)生的交變應(yīng)力使該聯(lián)軸器全部螺栓預(yù)緊力下降，最終引起螺栓松動。

5 結(jié)論

聯(lián)軸器出現(xiàn)松動故障，一般表現(xiàn)為運行中振動不穩(wěn)定現(xiàn)象，振動特征主要為一倍頻，低轉(zhuǎn)速下振動值明顯變化(包括幅值或相位)等。

對于兩轉(zhuǎn)子三支承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器在支承軸瓦跨內(nèi)，該聯(lián)軸器螺栓松動，在機組運行中可產(chǎn)生類似轉(zhuǎn)子裂紋故障特征，如啟動、停機過程bode圖形態(tài)異常變化，臨界轉(zhuǎn)速明顯降低，出現(xiàn)負(fù)臨界轉(zhuǎn)速等。

機組檢修時，應(yīng)嚴(yán)格按照制造廠要求的檢修工藝，對聯(lián)軸器螺栓伸長量、預(yù)緊力進行測量，防止出現(xiàn)漏緊或預(yù)緊力不足現(xiàn)象。