某電站汽輪機振動異常原因分析

李 浩

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

振動是汽輪發電機組運行中較為普遍的一種現象，其數值大小是評價機組能否安全穩定運行的重要指標。汽輪機發電機結構復雜，各結構部件出現故障，均會引起機組振動問題。聯軸器作為聯接汽輪發電機組各轉子的重要組成部分，出現松動或失效現象，會形成新的擾動力引發汽輪機發電機組異常振動，影響機組安全可靠運行。

聯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確，可引起聯軸器螺栓斷裂，鍛煉的螺栓卡在聯軸器螺栓孔內，造成聯軸器法蘭裂紋，造成轉子損壞事故，嚴重的可引起汽輪機超速或汽輪機飛車事故。聯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荷過程中發生，其頻率是基頻，且是突變過程。同時，臨界轉速區振動和機組低轉速下振動均會出現明顯變化[3][4]。

機組的支承結構不同，一般分為單支承結構或雙支承結構，聯軸器相對與軸承的位置不同，由聯軸器故障引發的振動特征會出現差異。對于單支承結構，聯軸器在支承轉子的軸承跨內，其故障可產生類似轉子裂紋的故障特征。對于雙支承轉子，聯軸器在轉子支承軸承的跨外，其振動表現為一般聯軸器故障特征。本文通過一起汽輪機振動異常分析和聯軸器螺栓松動診斷過程，總結了兩種支承結構聯軸器螺栓松動故障特征，為同類型機組轉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。機組結構形式如圖1所示。機組共有8個支承軸瓦。高壓轉子采取單支承結構，1號軸承為高壓轉子支承軸承，2、3號軸承為中壓轉子支承軸承，4、5號軸承為低壓轉子支承軸承，6、7號軸承為發電機轉子支承軸承，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瓦出現振動波動，且停機過程振動出現異常。

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?，機組負荷穩定工況下，1、2、3、4、5瓦軸振均出現同步波動，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瓦振動嚴重超標，振動最大為358μm。主要為一倍頻變化，同時二倍頻出現明顯變化。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瓦振動嚴重超標，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向臨界區振動出現跳變。歷次1瓦處測得臨界轉速在1800r/min至1834r/min之間，本次停機臨界轉速在1558r/min以下，臨界轉速明顯降低。

圖4為停機過程2瓦Y向二倍頻分量趨勢圖?？梢钥闯?，2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，轉速為914r/min，為一階臨界轉速一般，即出現明顯負臨界現象。

表2為歷次啟停機振動列表?？梢钥闯霰敬瓮C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，主要表現為一倍頻，且振動能在降負荷后恢復，診斷故障原因為動靜碰摩。同時間隙電壓出現明顯變化，說明在振動變化時，轉子中心位置發生變化，也就是動靜間隙發生變化，引起動靜摩擦，產生振動波動。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瓦振動出現以下異常：1瓦出測得轉子臨界轉速明顯降低；低轉速2瓦振動嚴重超標。2瓦處出現負臨界轉速現象。

轉子臨界轉速區間明顯降低說明轉子剛度或軸瓦支承剛度出現明顯減弱，及出現負臨界現象[1]。轉子剛度減弱的原因可能為出現轉子裂紋或類似裂紋故障[5][6]。

轉子裂紋的主要特征有：(1)因轉子橫向裂紋破壞了轉子截面的對稱性，因此轉子轉動中會出現二倍頻振動分量。(2)當裂紋擴展到一定深度后，轉軸會發生完全，這種彎曲后的轉子會使其低速轉動時的原始晃度發生變化。(3)升、降速過程中，轉子在通過一階臨界轉速時振動的基頻分量明顯增大，(4)通過1/2臨界轉速(即負臨界)時會出現1個明顯的二倍頻振動峰值[6][7][8]。

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

軸瓦工作狀態出現異?；蜉S瓦出現嚴重損壞，引起轉子中心位置變化，同樣會造成運行中出現動靜碰摩，引起1瓦振動超標現象。同時，軸瓦工作狀態異常，造成支承剛度減弱，導致臨界轉速降低，低轉速下振動超標等現象[9]。但軸瓦嚴重損壞后，該軸瓦或相鄰軸瓦溫度會出現明顯變化，實際中軸瓦溫度相對穩定，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瓦振動出現頻繁波動，且低轉速下3、4瓦振動幅值或相位變化較大，同樣能夠判斷出中壓轉子-低壓轉子聯軸器出現松動故障，造成軸系穩定性下降，轉子系統抗干擾能力下降，易引起振動波動現象。此外，中壓轉子-低壓轉子聯軸器螺栓松動，運行中出現周向或徑向位移，改變轉子系統不平衡質量分布，表現為一倍頻變化。

松動后對中狀況發生變化，引起低轉速下振動值變化。由于該聯軸器處于中壓轉子或低壓轉子跨外，故未能引起臨界轉速降低、負臨界、二倍頻振動增大等類似轉子裂紋現象。

4 檢修檢查結果

檢修檢查發現，高壓轉子-中壓轉子聯軸器螺栓共12根全部出現松動現象，中壓轉子-低壓轉子聯軸器螺栓共12根全部出現松動現象，軸瓦無異常。復緊聯軸器螺栓后，機組啟動過程bode圖形態與歷次無明顯差異，臨界轉速恢復正常，運行中振動穩定。

分析螺栓松動原因，發現機組在2019年大修時，未按照制造廠規定，使用專用工具，測量聯軸器螺栓伸長量，只是依照經驗將螺栓打緊，導致某些螺栓預緊力不足。在機組啟停及負荷變動過程中，產生的交變應力使該聯軸器全部螺栓預緊力下降，最終引起螺栓松動。

5 結論

聯軸器出現松動故障，一般表現為運行中振動不穩定現象，振動特征主要為一倍頻，低轉速下振動值明顯變化(包括幅值或相位)等。

對于兩轉子三支承結構，轉子聯軸器在支承軸瓦跨內，該聯軸器螺栓松動，在機組運行中可產生類似轉子裂紋故障特征，如啟動、停機過程bode圖形態異常變化，臨界轉速明顯降低，出現負臨界轉速等。

機組檢修時，應嚴格按照制造廠要求的檢修工藝，對聯軸器螺栓伸長量、預緊力進行測量，防止出現漏緊或預緊力不足現象。