某汽輪機(jī)振動(dòng)大原因分析及處理

吳松華/中化泉州石化有限公司

某汽輪機(jī)振動(dòng)大原因分析及處理

吳松華/中化泉州石化有限公司

1 概述

我公司260萬噸/年加氫裂化裝置，驅(qū)動(dòng)循環(huán)氫壓縮機(jī)的汽輪機(jī)K-101，在安裝后的首次單機(jī)試車時(shí)，出現(xiàn)了汽輪機(jī)軸振動(dòng)過大的現(xiàn)象。試車工作很不順利，不得不進(jìn)行原因排查分析工作。

汽輪機(jī)K-101是由國(guó)內(nèi)著名企業(yè)制造，機(jī)器型號(hào)為NG32/25，其主要性能參數(shù)見表1。機(jī)器由高精度電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操控。潤(rùn)滑油系統(tǒng)和控制油系統(tǒng)是一體的，與壓縮機(jī)共用一套油站。兩端軸封配有一套控制蒸汽泄漏的蒸汽抽汽冷凝系統(tǒng)。由于是背壓機(jī)器，K-101的結(jié)構(gòu)組成相對(duì)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上有7級(jí)動(dòng)葉片。轉(zhuǎn)子內(nèi)部所有密封部位都是梳齒迷宮密封形式。兩端支撐軸承都是橢圓瓦，推力軸承是金絲博雷瓦。汽輪機(jī)配有本特利軸振動(dòng)和位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。K-101采取兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)蒸汽由廠內(nèi)鍋爐蒸汽管網(wǎng)提供，做功后的乏汽進(jìn)入廠內(nèi)管網(wǎng)回收。

表1 汽輪機(jī)性能參數(shù)表

K-101的理論一階臨界轉(zhuǎn)速約為5 500r/min、二階臨界轉(zhuǎn)速在20 000r/min以上，其升速曲線如圖1。該型NG32/25汽輪機(jī)是一款很成熟的機(jī)器，在煉油行業(yè)廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)高轉(zhuǎn)速、大功率關(guān)鍵設(shè)備[1]。K-101在出廠前的設(shè)計(jì)、制造、安裝及調(diào)試等各個(gè)環(huán)節(jié)都比較順利，測(cè)試的各項(xiàng)數(shù)據(jù)也都比較理想。

圖1 汽輪機(jī)升速曲線圖

2 試車情況介紹

K-101蒸汽暖管至速關(guān)閥前，將背壓蒸汽引至K-101排汽口放空。同時(shí)，啟動(dòng)汽輪機(jī)電動(dòng)盤車裝置低速連續(xù)盤車。經(jīng)過近三小時(shí)的暖管，汽輪機(jī)進(jìn)口溫度達(dá)到近250℃，當(dāng)天即進(jìn)行了首次單機(jī)試車。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)后，非驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)9μm，驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)則高達(dá)38μm。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到第一暖機(jī)轉(zhuǎn)速1 500r/min時(shí)，非驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)14μm，驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)達(dá)到48μm，已經(jīng)超過報(bào)警值。并且，轉(zhuǎn)速稍有提高，振動(dòng)就明顯增大。K-101的單機(jī)試車工作暫停。

經(jīng)過初步分析后，連續(xù)進(jìn)行了多次試車和驗(yàn)證，依次排除了暖管、振動(dòng)電渦流傳感器探頭及儀表通道的問題。各次試車的情況都一致，驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)始終過大。試車期間，現(xiàn)場(chǎng)還采集了K-101的頻譜數(shù)據(jù)。

據(jù)此，可以判定汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件或靜止部件存在問題，必須仔細(xì)解體檢查分析。

3 原因分析

汽輪機(jī)在1 500r/min下采集到的驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)頻譜如圖2。根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，驅(qū)動(dòng)端X、Y兩個(gè)通道上，50Hz對(duì)應(yīng)的幅值都很大。說明兩倍頻2×是該問題的特征頻率。在常見的旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷技術(shù)中，2×高次諧波一般被認(rèn)為是轉(zhuǎn)子不對(duì)中或者轉(zhuǎn)子存在裂紋[2]。由于K-101是單機(jī)試車，不存在對(duì)中問題。那么，轉(zhuǎn)子裂紋導(dǎo)致的強(qiáng)烈振動(dòng)嫌疑很大。汽輪機(jī)解體后，先后目測(cè)及PT檢查整個(gè)轉(zhuǎn)子沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，排除轉(zhuǎn)子存在裂紋。

圖2 汽輪機(jī)頻譜分析圖

由于K-101啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)后，振動(dòng)值就很大，且隨著轉(zhuǎn)速上升振動(dòng)增大，技術(shù)人員分析認(rèn)為可能存在以下幾種原因：

1）探頭軸徑部位跳動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)；

2）轉(zhuǎn)子發(fā)生明顯彎曲；

3）動(dòng)靜部件存在碰磨情況；

4）轉(zhuǎn)子嚴(yán)重動(dòng)不平衡；

5）軸瓦設(shè)計(jì)缺陷或油膜失穩(wěn)；

6）轉(zhuǎn)子受到磁化影響。

為了確定軸振動(dòng)過大原因，必須要逐項(xiàng)排查驗(yàn)證。

3.1 軸徑跳動(dòng)

檢查驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)探頭部位軸徑，軸徑表面光潔平滑，沒有凹凸不平或其他損傷現(xiàn)象。用千分表檢查該部位圓柱度最大偏差0.005㎜，完全滿足《石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程》的有關(guān)要求[3]。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無法檢測(cè)軸徑電子跳動(dòng)值。但是，根據(jù)軸徑的表面情況，可以排除強(qiáng)烈的振動(dòng)是因軸徑跳動(dòng)超標(biāo)造成。

3.2 轉(zhuǎn)子彎曲

檢查轉(zhuǎn)子軸徑、葉輪外緣、軸頭等各部位的徑向及軸向跳動(dòng)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子后六級(jí)葉輪上，各有一片動(dòng)葉片的圍帶明顯凸出，凸出高度達(dá)0.08～0.12㎜，這六根葉片都是制造時(shí)的最后一根鎖緊葉片[4]。除此以外，其余部位都滿足有關(guān)技術(shù)文件的指標(biāo)，轉(zhuǎn)子沒有彎曲。

3.3 動(dòng)靜部件碰磨

根據(jù)檢查轉(zhuǎn)子的情況，6處凸出圍帶的表面都有劃痕，如圖3標(biāo)注部分。另外，還發(fā)現(xiàn)一處轉(zhuǎn)子級(jí)間汽封片彎曲的情況。除此以外，動(dòng)靜部件的其余部位都正常，沒有發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜碰磨的痕跡。凸出圍帶的表面劃痕應(yīng)當(dāng)是由葉頂汽封片劃傷造成。級(jí)間汽封片的彎曲可能由于動(dòng)靜部件碰撞造成，也可能是制造、安裝或運(yùn)輸過程中造成。凸出的圍帶被逐個(gè)挫平，彎曲的汽封片也被校直。

圖3 轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片圍帶圖

為了徹底檢查并排除動(dòng)靜碰磨的可能，現(xiàn)場(chǎng)先后檢查調(diào)整了四根汽缸貓爪螺釘?shù)拈g隙、兩側(cè)軸端汽封的側(cè)間隙、軸承座油封間隙、導(dǎo)葉持環(huán)徑向間隙、通流各部位間隙及汽缸轉(zhuǎn)子同心度等，各項(xiàng)參數(shù)都符合標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。汽輪機(jī)嚴(yán)格按要求充分暖管后啟動(dòng)試車，振動(dòng)情況和先前一樣，沒有絲毫的改善。

據(jù)此，部分觀點(diǎn)認(rèn)為蒸汽管道熱應(yīng)力過大，將汽缸嚴(yán)重拉偏導(dǎo)致動(dòng)靜碰磨。為此，技術(shù)人員召集了設(shè)計(jì)院、安裝單位、工程監(jiān)理等機(jī)構(gòu)的技術(shù)權(quán)威，到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察了管道布置情況。大家普遍認(rèn)為，汽輪機(jī)的進(jìn)汽管道設(shè)計(jì)是合理的，導(dǎo)向限位、彈簧管托、膨脹彎、對(duì)稱布置等措施的采取，已經(jīng)最大限度地降低了熱應(yīng)力對(duì)汽輪機(jī)的影響，如圖4。汽輪機(jī)的排氣管道設(shè)計(jì)有萬向金屬膨脹節(jié)，管道熱應(yīng)力基本不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生影響?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際也是嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙安裝的。并且，這種設(shè)計(jì)安排業(yè)內(nèi)比較普遍，技術(shù)非常成熟，從未出現(xiàn)過問題。因此，管道不可能對(duì)汽輪機(jī)附加有較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致汽缸嚴(yán)重拉偏產(chǎn)生碰磨。

圖4 汽輪機(jī)進(jìn)汽管道布置圖

但是，依然有人懷疑管道熱應(yīng)力對(duì)K-101振動(dòng)大有決定性影響，且提出要通過監(jiān)測(cè)汽缸貓爪的位移來評(píng)估影響。實(shí)際上，汽輪機(jī)在開機(jī)前的蒸汽暖管過程中，會(huì)有少量蒸汽進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部。由于蒸汽并非大量持續(xù)流動(dòng)，且汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不規(guī)則、汽缸薄厚不均，因此，該階段蒸汽對(duì)機(jī)體的加熱是比較復(fù)雜的，汽缸、轉(zhuǎn)子不可能理想地均勻膨脹[4]。所以，暖管階段通過監(jiān)測(cè)汽缸貓爪的位移，來評(píng)估汽缸轉(zhuǎn)子同心度并不科學(xué)。

為了驗(yàn)證管道熱應(yīng)力是否是導(dǎo)致強(qiáng)烈振動(dòng)的主因，現(xiàn)場(chǎng)果斷決定，不經(jīng)暖管直接進(jìn)蒸汽快速啟動(dòng)汽輪機(jī)，考察沖轉(zhuǎn)后的情況。結(jié)果是非驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)正常，而驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)依然很大。這次試驗(yàn)證明管線對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)沒有決定性影響，汽輪機(jī)也并未發(fā)生動(dòng)靜碰磨。

3.4 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡

K-101出廠前所做的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)是合格的，汽輪機(jī)空負(fù)荷試車也是正常的，如表2、表3。出廠前，轉(zhuǎn)子已經(jīng)做了配重平衡處理，并且順利完成超速試驗(yàn)和工作轉(zhuǎn)速試車。但是，在出廠前的試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)子是帶聯(lián)軸器的。現(xiàn)場(chǎng)安裝后的試車，轉(zhuǎn)子并沒有帶聯(lián)軸器，而是用假聯(lián)軸器替代的。假聯(lián)軸器是類似于鐵餅的盤狀金屬件，用于單機(jī)試車時(shí)替代聯(lián)軸器，防止轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端軸頭過輕出現(xiàn)跳動(dòng)，如圖5。假聯(lián)軸器通過螺栓安裝固定在轉(zhuǎn)子軸頭聯(lián)軸器輪盤上?，F(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為該不同情況可能導(dǎo)致了試車的結(jié)果不正常。這里的聯(lián)軸器和假聯(lián)軸器都是很精密的部件，都單獨(dú)做過動(dòng)平衡處理。理論上，這一變化不至于造成整根轉(zhuǎn)子出現(xiàn)嚴(yán)重的動(dòng)不平衡。由于條件限制，現(xiàn)場(chǎng)唯有通過試驗(yàn)來證明。K-101換裝上聯(lián)軸器，完全模擬出廠前的試車。結(jié)果再次證實(shí)，驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)還是很高，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問題被排除。

表2 轉(zhuǎn)子帶聯(lián)軸器動(dòng)平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 空負(fù)荷試車記錄表

圖5 假聯(lián)軸器外形圖

3.5 軸瓦設(shè)計(jì)缺陷或油膜失穩(wěn)

K-101兩端支撐軸承設(shè)計(jì)選用的是上下兩瓣橢圓瓦。從穩(wěn)定性和承載能力上講，橢圓瓦軸承不如可傾瓦軸承，也不如四油楔軸承和三油楔軸承。橢圓瓦軸承在此的應(yīng)用，可能造成了轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定。但是，現(xiàn)場(chǎng)暫時(shí)也沒有條件更換其他形式的軸承。不過，橢圓瓦早已在該型NG32/25汽輪機(jī)上廣泛應(yīng)用，并未出現(xiàn)過問題。況且，K-101非驅(qū)動(dòng)端支撐軸承也是同型橢圓瓦，振動(dòng)卻沒有表現(xiàn)出如此強(qiáng)烈。因此，該處用橢圓瓦應(yīng)當(dāng)是沒有問題的。技術(shù)人員同時(shí)決定將驅(qū)動(dòng)端支撐軸承更換為備用的橢圓瓦。

油膜失穩(wěn)或者油膜自激渦動(dòng)，可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子強(qiáng)烈振動(dòng)。按照轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論，這種情況產(chǎn)生的振動(dòng)幅度會(huì)很大，有的可能超過動(dòng)不平衡的影響力。不過，油膜失穩(wěn)發(fā)生在一階臨界轉(zhuǎn)速以上[5]。K-101沖轉(zhuǎn)即出現(xiàn)振動(dòng)很大，而沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不過只有200～400r/min，無論如何這一轉(zhuǎn)速肯定遠(yuǎn)低于其一階臨界轉(zhuǎn)速。油膜失穩(wěn)可以簡(jiǎn)單地通過調(diào)整軸瓦供油壓力或溫度等手段消除。最終，油膜失穩(wěn)也被排除。

3.6 轉(zhuǎn)子磁化

經(jīng)過多次試驗(yàn)努力，始終沒有發(fā)現(xiàn)問題的根本原因。后又對(duì)軸振動(dòng)頻譜特征進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)存在50Hz及諧波，而轉(zhuǎn)頻25Hz并未出現(xiàn)。技術(shù)人員認(rèn)為，轉(zhuǎn)子磁化或磁性干擾的可能性極大[2]。為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子是否磁化或剩磁超標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)將縫衣針用細(xì)棉線吊著緩慢靠近轉(zhuǎn)子探頭軸徑部位，發(fā)現(xiàn)鋼針輕而易舉地被轉(zhuǎn)子吸住。再用百分表架固定住測(cè)振探頭，手動(dòng)盤車轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，探頭軸徑部位的振動(dòng)值居然高達(dá)30～48μm，如圖6。至此，K-101驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)強(qiáng)烈的真正原因終于浮出水面，轉(zhuǎn)子確定受到嚴(yán)重磁化。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返制造廠消磁處理。

圖6 轉(zhuǎn)子磁性強(qiáng)度分布圖

4 轉(zhuǎn)子處理情況

制造廠依據(jù)API611規(guī)范的要求，測(cè)得轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端探頭軸徑部位的電子跳動(dòng)值為42μm，而非驅(qū)動(dòng)端只有9μm。再用電磁通量?jī)x檢查驅(qū)動(dòng)端探頭軸徑，發(fā)現(xiàn)有1.05mt的磁感應(yīng)強(qiáng)度，而制造廠的標(biāo)準(zhǔn)是＜0.3mt，超標(biāo)3倍以上。

轉(zhuǎn)子在制造廠用CEW-6000超低頻磁粉探傷機(jī)做退磁處理。轉(zhuǎn)子在探傷機(jī)上架好后，設(shè)置周向電流1500A、縱向電流2000A、退磁時(shí)間0.8S。轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端軸徑部位在電磁鐵圈內(nèi)做了多次軸向來回移動(dòng)消磁。退磁結(jié)束后，檢查軸徑部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高0.18mt。盤車檢查軸徑部位的電子跳動(dòng)值仍然有17μm，轉(zhuǎn)子軸徑還需繼續(xù)進(jìn)行滾壓處理。轉(zhuǎn)子經(jīng)滾壓機(jī)處理后，跳動(dòng)值雖然降到了12μm，但是電磁通量值卻升高至0.63mt，跳動(dòng)值和電磁通量值來回反復(fù)。后經(jīng)多次退磁和滾壓處理，最終的電磁通量值降低到0.11mt，跳動(dòng)值降到10μm。

轉(zhuǎn)子在做高速動(dòng)平衡復(fù)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)平衡超標(biāo)。依據(jù)制造廠標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，軸承座的振動(dòng)＜1㎜/s為合格，而實(shí)際卻高達(dá)4㎜/s。轉(zhuǎn)子又先后經(jīng)四次在不同相位配重才試驗(yàn)合格，總配重量91g。

轉(zhuǎn)子磁化可能跟原材料、制造、運(yùn)輸、存放及安裝等過程有關(guān)。由于環(huán)節(jié)眾多、復(fù)雜，磁化的機(jī)理尚不能完全掌握，且監(jiān)管過程不完備，K-101轉(zhuǎn)子磁化的原因難以斷定。

5 轉(zhuǎn)子處理后的試車情況

K-101轉(zhuǎn)子經(jīng)處理后返抵現(xiàn)場(chǎng)，汽輪機(jī)安裝恢復(fù)完成后，再次組織試車。不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)值如表4，驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)值大幅降低。但是，跟非驅(qū)動(dòng)端相比，驅(qū)動(dòng)端的軸振動(dòng)數(shù)值還是略顯偏高。該情況應(yīng)當(dāng)還是由于轉(zhuǎn)子消磁不徹底造成，并非轉(zhuǎn)子振動(dòng)的真正表現(xiàn)。這次試車順利完成了汽輪機(jī)各項(xiàng)性能的考核任務(wù)，運(yùn)行參數(shù)基本正常，達(dá)到了單機(jī)試車的目的。

表4 汽輪機(jī)軸振動(dòng)參數(shù)記錄表

6 結(jié)論

本次汽輪機(jī)試車中出現(xiàn)的問題是罕見的。但是，經(jīng)過試車團(tuán)隊(duì)的反復(fù)分析、驗(yàn)證，其振動(dòng)原因也最終得到確認(rèn)。通過這次汽輪機(jī)試車問題的處理，得出以下幾點(diǎn)體會(huì)和建議：

1）轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡出廠前合格，為什么經(jīng)過運(yùn)輸和安裝，就出現(xiàn)了不合格，汽輪機(jī)制造廠應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制出廠前的制造、檢測(cè)、試驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，并且要考慮后續(xù)運(yùn)輸及安裝過程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題；

2）轉(zhuǎn)子返廠消磁處理時(shí)，制造廠并沒有專門而高效的設(shè)備和方法來解決該類問題，轉(zhuǎn)子在出廠時(shí)是否全面做過該類檢測(cè)值得懷疑，制造廠需要加強(qiáng)和改進(jìn)；

3）類似于汽輪機(jī)這樣的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)機(jī)械，應(yīng)當(dāng)要有先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，便于分析評(píng)估運(yùn)行情況和快速有效地分析故障；

4）高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)輸、存放及安裝期間對(duì)磁化及動(dòng)平衡可能會(huì)產(chǎn)生多大影響，需要我們深入研究和探討。

[1]中國(guó)石油和石化工程研究會(huì).煉油設(shè)備工程師手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國(guó)石化出版社，2010.

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本文介紹了汽輪機(jī)在單機(jī)試車時(shí)，開機(jī)即出現(xiàn)振動(dòng)大的情況。經(jīng)過詳細(xì)認(rèn)真的分析，逐一排除了儀表失靈、軸頸跳動(dòng)、轉(zhuǎn)子彎曲、動(dòng)靜碰磨、油膜失穩(wěn)等原因，最終確定轉(zhuǎn)子磁化是造成振動(dòng)大的原因。轉(zhuǎn)子經(jīng)過消磁處理后，汽輪機(jī)試車情況正常。

汽輪機(jī)；磁化；消磁

The Cause Ana lysis and Solution of Strong Vibrations in Steam Turbines

Wu Song-hua/Sinochem Quanzhou PetrochemicalCo.,Ltd.

Abstract：The large vibrations in steam turbines during the test run were analyzed and ruled out sources such as instrument malfunction,shaft jitter,bending rotor, dynamic and static touch grinding,oil film instability and others.Results eventually concluded that rotor magnetization caused the large vibrations.The steam turbine rotor runs in a normal condition after degaussing.

steam turbine;magnetization；degaussing

TK267

A

1006-8155（2016）02-0094-05

10.16492/j.fjjs.2016.03.0151

2015-11-25福建惠安362100