魏曉東 李 峰 吳 韜 張艷紅 胥佳瑞

（1.大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電分公司，河北 張家口 075131；2.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗(yàn)研究院，北京 100043）

1 機(jī)組概況

某發(fā)電廠2號(hào)汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠制造的N300-16.7/537/537型亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)。軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3根轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu)，1、2號(hào)軸承為可傾瓦軸承，3、4、5、6號(hào)軸承為橢圓軸承，軸系示意圖如圖1所示。2020年以來(lái)，2號(hào)汽輪機(jī)1瓦振動(dòng)持續(xù)上漲；2023年3月，A級(jí)檢修期間發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子中壓第二級(jí)彎曲0.15 mm，為此，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行了分析。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系布置圖

2 振動(dòng)概況

投產(chǎn)初期，機(jī)組首次揭缸檢查，查汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子過(guò)橋汽封處軸彎曲0.50 mm。委托主機(jī)廠直軸處理，最終將彎軸值控制在0.03 mm。

2017年7月，機(jī)組第一次A級(jí)檢修，查汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子過(guò)橋汽封處軸彎曲0.085 mm，將高中壓轉(zhuǎn)子返主機(jī)廠進(jìn)行處理，扣缸前復(fù)測(cè)該處軸彎曲0.06 mm。返廠對(duì)中壓聯(lián)軸器外圓、端面、過(guò)橋汽封處進(jìn)行車削處理，中低對(duì)輪重新鉸孔。修后升降速過(guò)程中，高中壓轉(zhuǎn)子過(guò)臨界振動(dòng)比修前明顯下降很多。

2019年8月，1X、1Y軸振分別為138、95 μm。

2021年2月，1X軸振出現(xiàn)逐漸緩慢上漲趨勢(shì)，振動(dòng)值上漲至170 μm，1Y軸振在90～100 μm。

2021年3月，利用停機(jī)機(jī)會(huì)在高壓轉(zhuǎn)子前軸封處加配重488 g，機(jī)組啟動(dòng)后1X、1Y軸振分別為135、75 μm，且振動(dòng)數(shù)值較為穩(wěn)定。

2022年2月，1X、1Y軸振分別為160、85 μm。

2022年3月，在1瓦處單側(cè)加重690 g，1X、1Y軸振分別為92、60 μm。

2023年1月，1X、1Y軸振分別為110、69 μm。

1、2瓦振動(dòng)發(fā)展情況如表1所示。

表1 1、2瓦振動(dòng)發(fā)展情況

2021—2023年，機(jī)組歷次啟停機(jī)過(guò)程中一階臨界轉(zhuǎn)速下1、2瓦振動(dòng)均偏大且有上漲趨勢(shì)，1X振動(dòng)啟動(dòng)過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)由101 μm逐漸升至201 μm，2X振動(dòng)啟動(dòng)過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)由110 μm逐漸爬升至139 μm；1X振動(dòng)停機(jī)過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)由148 μm逐漸升至199 μm，2X振動(dòng)停機(jī)過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)由86 μm逐漸升至129 μm。機(jī)組部分啟停機(jī)過(guò)臨界振動(dòng)情況如表2所示。

表2 機(jī)組部分啟停機(jī)過(guò)臨界振動(dòng)情況

本次解體后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如下：

1）高中壓轉(zhuǎn)子彎曲。本次測(cè)量轉(zhuǎn)子彎曲最大值0.15 mm，彎曲相位1～7孔，最大彎曲點(diǎn)位于中壓第1級(jí)與第2級(jí)之間，彎曲值嚴(yán)重超標(biāo)。

2）推力盤(pán)工作面瓢偏0.045 mm，非工作面瓢偏0.05 mm，高中壓轉(zhuǎn)子對(duì)輪端面瓢偏0.055 mm，均超設(shè)計(jì)值。

3）中壓1號(hào)隔板套右側(cè)4、5、6號(hào)螺栓斷裂，5、6號(hào)罩母有明顯磨損變形；左側(cè)4號(hào)螺栓斷裂，5號(hào)螺栓有明顯貫通裂紋；隔板套左側(cè)定位螺栓變形、磨損嚴(yán)重。具體如圖2所示。

圖2 隔板套、螺栓現(xiàn)場(chǎng)圖

4）中壓1、2級(jí)隔板汽封塊損壞，存在汽封齒磨損、斷裂現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 中壓隔板汽封塊現(xiàn)場(chǎng)圖

5）中壓通流軸向間隙超標(biāo)。通流間隙測(cè)量中，中壓第1、2、3級(jí)軸向間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)，共24個(gè)值，偏小1.51～3.95 mm。

6）中壓1號(hào)隔板套變形。中壓1號(hào)隔板套上半，背弧槽道至隔板套出汽側(cè)加工面距離超標(biāo)，實(shí)測(cè)值最大334.92 mm（設(shè)計(jì)值330 mm），變形量4.92 mm。

7）中壓隔板變形量超標(biāo)。中壓1、2、3級(jí)隔板變形量超標(biāo)，相較上次檢修，中壓1級(jí)隔板變形量0.60 mm，2級(jí)隔板變形量1.28 mm，3級(jí)隔板變形量0.98 mm。

3 振動(dòng)原因分析

由以上振動(dòng)現(xiàn)象和解體結(jié)果分析可知，該機(jī)組振動(dòng)存在以下特征：

1）機(jī)組啟動(dòng)后低負(fù)荷至高負(fù)荷階段1瓦振動(dòng)變化比較明顯，呈現(xiàn)出振動(dòng)波動(dòng)隨機(jī)組負(fù)荷變化的高度相關(guān)性；

2）機(jī)組運(yùn)行中同等負(fù)荷下1瓦振動(dòng)總體呈上漲趨勢(shì)，2021年3月和2022年3月兩次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡均有顯著效果，但隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)振動(dòng)仍持續(xù)升高；

3）歷次啟停機(jī)過(guò)程中一階臨界轉(zhuǎn)速下1、2瓦振動(dòng)均有輕微上漲趨勢(shì)，且停機(jī)過(guò)程振動(dòng)明顯高于冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)。

通過(guò)分析高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征和運(yùn)行中的變化情況，認(rèn)為該機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子存在如下問(wèn)題：

1）1瓦振動(dòng)與負(fù)荷有明顯關(guān)聯(lián)，一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)停機(jī)過(guò)程振動(dòng)明顯高于冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)，可能是由于運(yùn)行中高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲。熱彎曲主要由轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻引起，材質(zhì)不均勻是由轉(zhuǎn)子鍛件內(nèi)部存在氣隙、夾雜、鼓泡等因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)子徑向纖維組織不均勻，使材料的物理特性存在各向異性。對(duì)于高中壓轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，在機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中轉(zhuǎn)子溫度升高產(chǎn)生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲，導(dǎo)致不平衡量增大，表現(xiàn)為升負(fù)荷過(guò)程中振動(dòng)增大，一階臨界轉(zhuǎn)速下停機(jī)過(guò)程振動(dòng)明顯高于冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)。

2）1瓦振動(dòng)總體呈上漲趨勢(shì)，啟停機(jī)過(guò)程中一階臨界轉(zhuǎn)速下1、2瓦振動(dòng)逐次上漲，重點(diǎn)懷疑高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生永久彎曲。從運(yùn)行角度分析，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重碰磨、進(jìn)水等故障時(shí)，在轉(zhuǎn)軸上會(huì)殘留較大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力引起的轉(zhuǎn)軸變形量超出材料的屈服極限時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸發(fā)生永久彎曲；另外，轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力過(guò)大，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中逐漸釋放，殘余應(yīng)力的釋放也會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲變形。從機(jī)組2019年以來(lái)歷次啟停機(jī)運(yùn)行情況看，轉(zhuǎn)子彎曲和變形是逐步發(fā)展的，可排除發(fā)生嚴(yán)重碰磨、進(jìn)水等故障的可能性，結(jié)合該轉(zhuǎn)子于2016年7月檢修期間曾因高中壓轉(zhuǎn)子過(guò)橋汽封處軸彎曲返廠進(jìn)行車削處理，故判斷可能是因殘余應(yīng)力過(guò)大引起永久彎曲[1]。

4 處理情況

對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行返廠檢查：

1）拆卸主油泵轉(zhuǎn)子，按照工藝流程對(duì)主油泵轉(zhuǎn)子做檢查、處理和整定實(shí)驗(yàn)；

2）對(duì)轉(zhuǎn)子做外觀目視檢查，準(zhǔn)確記錄較大磕碰、拉毛和損傷情況，對(duì)兩端軸徑做磁粉探傷檢查，記錄檢查結(jié)果；

3）按照高中壓轉(zhuǎn)子總圖檢查轉(zhuǎn)子跳動(dòng)及晃動(dòng)，檢查各級(jí)軸向開(kāi)檔尺寸，重點(diǎn)對(duì)中壓1～3級(jí)及對(duì)輪進(jìn)行檢查，記錄檢查結(jié)果；

4）以最小量車削去除高點(diǎn)，修復(fù)轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)，修復(fù)推力盤(pán)及徑向晃動(dòng)，修后對(duì)各處加工部位做PT檢查確認(rèn)無(wú)缺陷，記錄修后跳動(dòng)檢查數(shù)據(jù)及各修復(fù)部位車削量；

5）轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡檢查。

對(duì)1號(hào)隔板套進(jìn)行外觀檢查、中分面間隙檢查、變形檢查后進(jìn)行返修。

2023年3月28日，機(jī)組A修完成后啟動(dòng)，高中壓轉(zhuǎn)子軸承振動(dòng)達(dá)標(biāo)，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行中振動(dòng)數(shù)值穩(wěn)定，如表3所示。

表3 機(jī)組啟動(dòng)后振動(dòng)情況單位：μm

5 結(jié)論與建議

1）機(jī)組運(yùn)行中未發(fā)生超速、超溫超壓、嚴(yán)重碰磨及進(jìn)水等異常工況，轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲可能為金屬殘余應(yīng)力所致，引起振動(dòng)隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)和一階臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)增大[2]。

2）轉(zhuǎn)子材質(zhì)組織不均勻?qū)е罗D(zhuǎn)子高負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生一定的熱彎曲，引起振動(dòng)隨負(fù)荷升高而增大，熱態(tài)停機(jī)時(shí)一階臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)明顯高于冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)。

3）轉(zhuǎn)子存在一定的永久彎曲，同時(shí)存在一定的熱彎曲，二者疊加導(dǎo)致振動(dòng)加劇。2016年7月因高中壓轉(zhuǎn)子過(guò)橋汽封處軸彎曲返廠進(jìn)行處理，而轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力的釋放過(guò)程非常緩慢，現(xiàn)場(chǎng)很難確定殘余應(yīng)力是否完全釋放，故處理手段應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡為主，視振動(dòng)發(fā)展情況決定是否返廠處理[3]。