陳斌

摘要：由于鍋爐的特性，較低的主進(jìn)汽溫度導(dǎo)致汽輪機(jī)低壓段濕蒸汽擴(kuò)大，運(yùn)行在濕蒸汽區(qū)的汽輪機(jī)葉片級(jí)數(shù)較多，再者，垃圾焚燒鍋爐產(chǎn)汽量變化幅度也較大，故選擇低壓段抗水蝕能力強(qiáng)，變工況能力強(qiáng)的中壓凝汽式汽輪機(jī)。其工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，由于工況變化較大，難免存在一定的故障率，而且一旦發(fā)生故障，所產(chǎn)生的危害也是相當(dāng)巨大的。所以，深入推進(jìn)汽輪發(fā)電機(jī)組的故障診斷技術(shù)的研究是保持機(jī)組正常運(yùn)行的重中之重。本文主要針對(duì)25MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)原因分析進(jìn)行分析，首先在解析汽輪機(jī)組常見(jiàn)異常振動(dòng)原因，然后結(jié)合實(shí)例分析25MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)原因和故障處理措施。

關(guān)鍵詞：25MW汽輪發(fā)電機(jī)組;軸承振動(dòng);原因分析;故障處理

對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械來(lái)說(shuō)，機(jī)械振動(dòng)是物體或質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近所作有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，只要是在運(yùn)行狀態(tài)，振動(dòng)就必然存在，振動(dòng)幅度不超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的屬于正常振動(dòng)。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)中振幅比原有水平增大，特別是增大到超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)就是異常振動(dòng)。任何一種異常振動(dòng)都潛伏著設(shè)備損壞的危險(xiǎn)。比如軸系質(zhì)量失去平衡（掉葉片、大軸彎曲、軸系中心變化等）、動(dòng)靜磨擦、膨脹受阻、軸承磨損或軸承座松動(dòng)，以及電磁力不平衡等等都會(huì)表現(xiàn)出振動(dòng)增大，甚至強(qiáng)烈振動(dòng)。必須加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)異常原因進(jìn)行分析，并提出針對(duì)性措施。

1.汽輪機(jī)異常振動(dòng)原因分析

汽輪機(jī)組異常振動(dòng)是汽輪機(jī)常見(jiàn)故障中較為復(fù)雜的一種故障。由于機(jī)組的振動(dòng)往往受多方面的影響，只要跟機(jī)本體有關(guān)的任何一個(gè)設(shè)備或介質(zhì)都會(huì)是機(jī)組振動(dòng)的原因，比如進(jìn)汽參數(shù)、疏水、油溫、油質(zhì)、等等。因此，針對(duì)汽輪機(jī)異常震動(dòng)原因的分析就顯得尤為重要，只有查明原因才能對(duì)癥維修。針對(duì)導(dǎo)致汽輪機(jī)異常振動(dòng)的各個(gè)原因分析是維修汽輪機(jī)異常振動(dòng)的關(guān)鍵。

2.汽輪機(jī)組常見(jiàn)異常震動(dòng)的分析與排除

總的來(lái)說(shuō)，由于技術(shù)的日趨完善和機(jī)組制作工藝相對(duì)成熟，且經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行檢驗(yàn)合格才投入運(yùn)營(yíng)，一般而言，設(shè)備本身的發(fā)生缺陷率相對(duì)較小，主要原因可以概括為以下兩大方面。

2.1 安裝因素分析

（1） 轉(zhuǎn)動(dòng)部分平衡的不正確。

（2）汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等對(duì)中不好。

（3）機(jī)組附屬轉(zhuǎn)動(dòng)件，如調(diào)速器、主軸帶動(dòng)的油泵、危急保安器等部件平衡的不好，安裝不良。

（4）受熱的機(jī)件安裝的不正確，在冷態(tài)安裝時(shí)沒(méi)有考慮它們熱態(tài)工作時(shí)的自由熱膨脹、熱變形，使得機(jī)件在受熱工作時(shí)不能自由膨脹而變得有些彎曲，破壞平衡。如各種軸在受熱無(wú)處膨脹時(shí)，將被頂彎，失掉平衡，造成振動(dòng);機(jī)殼受熱不能自由膨脹時(shí)，也會(huì)變形引起振動(dòng)。

（5）某些機(jī)件配合尺寸不符合要求，如軸封片與軸頸配合間隙不對(duì)，配合過(guò)緊，則在受熱時(shí)軸頸與密封片相摩擦，引起振動(dòng)。

（6）軸承有缺陷，如軸瓦巴氏合金脫層、龜裂;軸承與軸瓦安裝間隙不合適;瓦殼在軸承座中松動(dòng);軸承動(dòng)態(tài)性能不好，發(fā)生半速渦動(dòng)或油膜振蕩等，造成振動(dòng)。

（7）機(jī)組基礎(chǔ)不符合要求或基礎(chǔ)下沉，都會(huì)使機(jī)組發(fā)生振動(dòng)。

2.2 運(yùn)行因素

（1）汽輪機(jī)汽缸保溫不良、在啟動(dòng)前預(yù)熱的不充分或者不正確，因而造成蒸汽輪機(jī)在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子處于彎曲狀態(tài)。

（2）固定在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器、變速器齒輪軸上的某些轉(zhuǎn)動(dòng)零件松弛、變形或者位置移動(dòng)，引起回轉(zhuǎn)體的重心位置改變加劇振動(dòng)，如葉輪和軸結(jié)合松動(dòng)、某些部分變形等。一些有嚴(yán)格重量要求的回轉(zhuǎn)零件，如聯(lián)軸器個(gè)別螺栓更換而又未做平衡試驗(yàn)，也會(huì)破壞平衡，加劇振動(dòng)。

（3）回轉(zhuǎn)部件的原有平衡被破壞，如葉片飛脫，葉片或葉輪腐蝕嚴(yán)重，葉輪破損，軸封損壞，葉片結(jié)垢，個(gè)別零件脫落，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷水路局部堵塞，以及靜止部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分發(fā)生摩擦等等。

（4）啟動(dòng)前預(yù)熱不均勻，機(jī)殼產(chǎn)生變形，使機(jī)組內(nèi)動(dòng)靜部件間隙不均勻，甚至產(chǎn)生摩擦，引起振動(dòng)。

（5）蒸汽管路或氣體管路對(duì)機(jī)組的作用力，使機(jī)組變形、移位;管路與機(jī)組聯(lián)接不合要求等等也都造成振動(dòng)。

（6）軸承潤(rùn)滑不夠或不適當(dāng)，油泵工作不穩(wěn)定，或者油膜不穩(wěn)定。

（7）新蒸汽等運(yùn)行參數(shù)與要求值偏差太大。新蒸汽參數(shù)偏差過(guò)大而末及時(shí)調(diào)整，使汽輪機(jī)部件熱膨脹及熱應(yīng)力變化劇烈;汽壓、汽溫過(guò)低未及時(shí)采取措施;排汽缸溫度過(guò)高引起汽缸變形等等。

（8）機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速離實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速太近、機(jī)組某部件的固有振動(dòng)頻率等于或低倍于汽輪機(jī)運(yùn)行頻率，使部件或汽輪機(jī)發(fā)生共振。

（9）汽輪機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)部件與汽封偏心，產(chǎn)生蒸汽自激振蕩引起振動(dòng)。

（10） 發(fā)電機(jī)電磁力不平衡引起振動(dòng)。

3.25MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)原因分析及故障處理實(shí)證分析

3.1 工程概況

某公司廠2#汽輪發(fā)電機(jī)4#軸承自投產(chǎn)以來(lái)振動(dòng)值一直較1#汽輪發(fā)電機(jī)軸承大，從今年的5月開(kāi)始，振動(dòng)開(kāi)始惡化變大，到8月1日時(shí)，集控室遠(yuǎn)程振動(dòng)數(shù)值已接近跳機(jī)值（80um），已達(dá)到72.06um，且有繼續(xù)惡化直至需要停機(jī)處理的趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)手持振動(dòng)儀測(cè)量垂直振動(dòng)值為95um，水平為83um軸向?yàn)?68um。振動(dòng)明顯過(guò)大，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)臺(tái)板及軸承底座的測(cè)量發(fā)現(xiàn)。#4軸承座基礎(chǔ)臺(tái)板右側(cè)靠發(fā)電機(jī)處振動(dòng)值達(dá)123um，離此處最近的軸承座地腳振動(dòng)值為87um。

3.2 原因分析

（1）整理從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：#4軸承的振動(dòng)值最大時(shí)（集控室遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)控）72.06um，而同為一個(gè)軸系的相鄰#3軸承值只有20.1um。如軸系原因引起的振動(dòng)，一條軸上的兩個(gè)支撐點(diǎn)的振動(dòng)值應(yīng)該趨于一致或接近。自此，可以排除軸系（轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、軸系對(duì)中偏差大、動(dòng)靜機(jī)械部件磨擦、套裝部件松動(dòng)）的因素，可以鎖定#4軸承是振動(dòng)源，其振動(dòng)值較大，引起同一軸系的#3軸承振動(dòng)稍大。

（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，同樣的測(cè)量方向，臺(tái)板垂直測(cè)量的最大振動(dòng)值（123um）>該處的軸承座底部振動(dòng)值（87um）。分析是基礎(chǔ)發(fā)生了異常（此處所描述的基礎(chǔ)包括了混泥土堅(jiān)硬層，墊鐵、二次灌漿層、臺(tái)板）。作為振動(dòng)源（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的機(jī)械振動(dòng)能傳導(dǎo)至軸承），振動(dòng)傳遞路徑必然通過(guò)剛性介質(zhì)，即：從轉(zhuǎn)子→軸瓦→軸瓦支撐體→軸承座→臺(tái)板→二次灌漿層→墊鐵→混凝土堅(jiān)硬層，正常的振動(dòng)值應(yīng)該是逐步遞減的一個(gè)過(guò)程。如果基礎(chǔ)不牢，則振動(dòng)值應(yīng)該是從“轉(zhuǎn)子→...→臺(tái)板...→混凝土堅(jiān)硬層”這個(gè)傳遞路徑上各處分別逐步放大，且可能從混凝土堅(jiān)硬層逆方向傳遞至轉(zhuǎn)子和軸瓦，其過(guò)程復(fù)雜，可能存在振動(dòng)頻率上的一個(gè)對(duì)沖或自激振動(dòng)作用，最終體現(xiàn)為該處軸承的振動(dòng)值增大的現(xiàn)象。

（3）根據(jù)集控室監(jiān)控結(jié)果分析，從2019年11月1日該處（#4軸承）的40um至2020年5月1日止的54um，振動(dòng)值是非常緩慢逐漸上升的一個(gè)過(guò)程（升了14um，平均每月2.33um），之后振動(dòng)值有加快的趨勢(shì)，到8月1日止，短短3個(gè)月時(shí)間上升至72.06um（升了20.06um，平均每月6.69um）。

再考慮到混凝土堅(jiān)硬層的特性（堅(jiān)固、脆性大、整體性強(qiáng)），因其灌注時(shí)是整體汽機(jī)平臺(tái)一次形成，且外觀無(wú)明顯裂紋，#4軸承振動(dòng)雖然大，但是整體平穩(wěn)，其余位置的振動(dòng)在正常范圍內(nèi)，故可以排除混凝土基礎(chǔ)層局部開(kāi)裂或沉降的可能。

（4）排除混凝土基礎(chǔ)層后，對(duì)基礎(chǔ)中的墊鐵和二次灌漿層進(jìn)行分析，二次灌漿層的作用之一是固定墊鐵（可調(diào)墊鐵的活動(dòng)部分不能澆固），另一作用是可以承受設(shè)備的部分負(fù)荷。二次灌漿和墊鐵的作用不同，但都不可缺少，墊鐵承受設(shè)備的豎向（垂直）荷載，而二次灌漿層卻主要承受設(shè)備運(yùn)行震動(dòng)時(shí)的水平向荷載，對(duì)設(shè)備及墊鐵起固定作用。結(jié)合之前停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)的情況（二次澆注料未能緊密結(jié)合臺(tái)板底部，存在較大的間隙）。是存在未按技術(shù)規(guī)范配置墊鐵（較大跨度的臺(tái)板，應(yīng)在中間配置墊鐵），且二次澆注料不符合安裝工藝的情況，導(dǎo)致該臺(tái)板缺乏支撐，剛度不夠。

（5）汽輪發(fā)電機(jī)臺(tái)板是碳鋼材料，厚度為90mm。從金屬的特性可知，其具有較好的韌性和塑性，有一定的伸長(zhǎng)率，具有良好的焊接性能和熱加工性。二廠#2汽輪發(fā)電機(jī)的#4軸承臺(tái)板有90mm厚，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作為主要載荷壓在該臺(tái)板時(shí)，理應(yīng)通過(guò)墊鐵和二次灌漿層將載荷傳至堅(jiān)實(shí)層基礎(chǔ)。如上圖所示，由于未在中間部分布置墊鐵，加上二次灌漿層在灌注時(shí)漏漿導(dǎo)致未填滿灌漿層。形成了臺(tái)板與堅(jiān)實(shí)層基礎(chǔ)之間空包區(qū)域（長(zhǎng)、寬均接近1600mm）。該段空包區(qū)域的臺(tái)板完全靠自身的屈服強(qiáng)度承受著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量（轉(zhuǎn)子重約9T/2=4.5T，加上軸承支撐件總重約合為5T）。在剛投運(yùn)時(shí)（2013年），其剛度足以支撐起該重量，振動(dòng)值還在相對(duì)小的范圍。但在長(zhǎng)期的施壓和機(jī)械振動(dòng)的雙層作用下，臺(tái)板的鋼材彈性變形有了進(jìn)一步惡化，從力學(xué)上分析，是加速破壞了（臺(tái)板支撐力和載荷之間）力的平衡，在初期的支撐力≧載荷，到2019年逐漸的變成支撐力<載荷，導(dǎo)致軸系的揚(yáng)度和對(duì)中狀況變化，加上臺(tái)板鋼板無(wú)足夠的支撐形成的（微觀上的）抖動(dòng)，令#4軸承處振動(dòng)一直持續(xù)相對(duì)的穩(wěn)定的上升。經(jīng)粗略計(jì)算，兩者之間力的差距并不會(huì)太大（頂升臺(tái)板恢復(fù)至原始狀態(tài)--即2019年前狀態(tài)，所需的力在200N以內(nèi)即可）。按2019年用墊鐵在臺(tái)板下方輕輕調(diào)整，臺(tái)板上架設(shè)的百分表顯示提高了0.008mm的經(jīng)驗(yàn)。給予后期采用在線處理提供了更多的選擇余地。

考慮到二廠#2汽輪發(fā)電機(jī)除了#4軸承因臺(tái)板剛度問(wèn)題引起振動(dòng)較大外，無(wú)其余問(wèn)題。且目前二廠運(yùn)行實(shí)際情況，如停#2汽機(jī)，則需停一臺(tái)爐，對(duì)生產(chǎn)安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益有較大影響。研發(fā)部機(jī)務(wù)專業(yè)優(yōu)先考慮進(jìn)行在線處理振動(dòng)大的隱患，對(duì)各種情況進(jìn)行了反復(fù)推敲，主要是從安全和可行性方面考慮，一、臺(tái)板是碳鋼，不存在脆性較大的情況。二、如選擇高強(qiáng)度頂絲進(jìn)行支撐起臺(tái)板，充分認(rèn)識(shí)到，其頂升的力度應(yīng)該設(shè)定在一個(gè)堅(jiān)實(shí)層混凝土基礎(chǔ)可承受的范圍（該基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號(hào)為C50，即壓強(qiáng)，50MPa≤fcu，k<50MPa）。三、由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，無(wú)法在頂絲下方墊鐵塊以增加接觸面積，與混凝土接觸的面積（頂絲為φ16mm）雖然較小。但對(duì)基礎(chǔ)無(wú)任何破壞可能。

3.3 故障處理

采用在線降低二廠#2汽機(jī)#4軸承振動(dòng)的方案。采取臺(tái)板上（最大振動(dòng)點(diǎn)，就地實(shí)測(cè)123um）鉆一通孔，進(jìn)行攻螺牙，配一高強(qiáng)度螺栓擰（φ16mm）至汽機(jī)混凝土堅(jiān)硬層，令汽機(jī)#4軸承臺(tái)板通過(guò)高強(qiáng)度螺栓間接得到基礎(chǔ)支撐的方法，有效阻止振動(dòng)狀況惡化，并有效改善振動(dòng)值（分兩段時(shí)間調(diào)整，第一階段目標(biāo)值是集控室遠(yuǎn)程的72.06um降至56um左右。運(yùn)行一個(gè)月穩(wěn)定后實(shí)施第二階段，56um降至40um左右），以維持機(jī)組的安全運(yùn)行。

通過(guò)實(shí)施該在線減震方案，#2汽輪發(fā)電機(jī)#4軸承振動(dòng)值穩(wěn)定控制在震動(dòng)安全值內(nèi)，且仍保有繼續(xù)對(duì)震動(dòng)值進(jìn)行更徹底的減震調(diào)整的手段。實(shí)施該在線減震方案既保障了公司主要設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，又避免了一次非計(jì)劃啟停機(jī)、爐操作，為公司合理安排年度檢修計(jì)劃，以及為公司完成年度生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)任務(wù)創(chuàng)造了條件。

結(jié)論

在處理實(shí)際發(fā)生的振動(dòng)異常問(wèn)題時(shí)，如何正確采用對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的分析和振動(dòng)的數(shù)值進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，并有效分析，快速的排除其余可能產(chǎn)生誤判斷的因素，快速、準(zhǔn)確、直接找出問(wèn)題根源至關(guān)緊要，一來(lái)可以節(jié)省時(shí)間，二來(lái)能徹底解決隱患。

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