试析电厂1号机组给水泵汽轮机振动故障及处理策略

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  [摘 要]本文通过对某电厂1号机组给水泵汽轮机的故障进行分析并进行了一系列测试,结合其异响以及振动增大的情况,认为其主要问题在于支撑系统的刚性不足,通过相应的处理措施消除了给水泵汽轮机的振动故障。
  [关键词]给水泵汽轮机;振动故障;处理
  中图分类号:TK268.1 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)08-0111-02
  某电厂的1号机组G6.6-0.78型锅炉,其给水泵汽轮机是东方汽轮机厂生产的,2013年下半年发现给水泵汽轮机出现振动变动和振动突变的情况,并且伴随着内部的异常响声,造成了2号轴振数次超过了80μm的振动报警值。由于给水泵汽轮机的转速要保持在4800r/min的情况下运行,所以1号机组一直是限负荷运行状态。
  1 给水泵汽轮机振动测试环节
  1.1 轴振测试及特点
  在给水泵汽轮机发生故障后对其轴承进行了振动测试,得出的测试结果如表一所示。
  通过现场的观察发现,该水泵汽轮机的轴振具有以下几个特点:一是当机组的负荷<240MW时,该水泵汽轮机的轴振幅度相对较小,此时的振幅在45-50μm范围内;当机组的负荷在250MW时,振幅为50-80μm之间;当机组负荷>270MW时,水泵汽轮机的振动幅度相对较为稳定,并且呈现出这样一个规律,负荷越高,振幅就越稳定。二是该水泵汽轮机的轴振以工频为主。三是水泵汽轮机的缸体内还会发出一些异常声音,当负荷在250MW时,异常声音非常明显。
  1.2 频率测试以及分析
  第一,对水泵汽轮机的轴承座、排气缸等进行频率测试,采用捶击法测试,测量结果见表二。可以明显看出,由于不同的测点存在着不同的振型,对应着不同的频率,这样就造成了不同的频率峰值。
  第二,对水泵汽轮机的排汽管进行测试,测量结果见表三。其中,测点1-4均分布在水泵汽轮机排汽垂直下降管的方形管段部分,这四块钢板与下部的5-8号弯形钢板分别焊接,它们的固有频率差异大。1-4号的固有频率均在85-95Hz范围内,这四块钢板的转速则在5100-5700r/min范圍内。而下部的5-8号钢板的频率均在135Hz上下浮动。另外,对排汽管封口端的波纹管两侧进行频率测试发现,11、12两处的固有频率为75Hz,对应的转速为4500r/min;且离波纹管距离越短,振型越明显。此处上方有加焊一块钢板,但事实上,75Hz的振型还比较弱,这表明加焊的钢板在一定程度上调开了该处的固有频率。结合实际工况,笔者认为可以加固该处的管道,增强管道的刚性,从而调开其固有频率。
  1.3 汽轮机振动的危害性
  振动又称机械振动,是指某一物体在平衡位置附近不断的做往复运动,振动的几个基本参考量为振幅、频率和相位。
  振幅是指物体震动或者动态运动下的幅度,它代表着机械振动的强度,同时振幅的大小往往和机器振动的严重程度成正比,运转状态良好的机器的振幅通常情况下不会很大;频率作为振动原因分析的重要依据,其单位为赫兹(Hz),指物体在每秒钟内完成振动的次数;相位代表的是振动质点的相对位置,振动信号的振源不同,那么相位也就不同,相位的测量对于诊断故障以及进行运动平衡来说有很重要的作用。
  一般来讲汽轮机的转速和温度都是很高的,振动情况严重的汽轮机可能会引发严重的后果,比如导致遮断器发生误动作;滑动轴承损坏并造成轴瓦破裂;造成滑销磨损故障,从而影响到机组不能正常的热膨胀;汽轮机叶片的动应力过高,导致发生疲劳进而折断;通流部分产生严重的摩擦情况,甚至可能引起主轴的弯曲;机组的某些部件会松动甚至脱落,然后击碎机体飞出等等。
  2 导致汽轮机振动的原因
  2.1 机组运行过程中中心不正(1)汽轮机在启动的过程中,如果暖机时间不够,或者加负荷太快等,都会导致其更受热不均匀或是使滑销系统发生卡涩的情况,汽缸由于不能自由膨胀,就会向转子发生倾斜,从而导致机组非正常位移引起振动。所以在机组的升速过程中要严密监视轴承的振动情况,一旦超过0.05mm则应该停机进行检修。
  (2)机组运行中如果真空突然下降,那么排汽的温度升高就会导致后轴承上抬,破坏了机组中心引发振动。
  (3)如果背靠轮安装不正确的话会使中心也不准确,这时的振动会随着负荷的增加而相应增加。
  (4)机组在进汽温度高于规定的情况下运行的话会使汽缸变形,发生诸如高压轴封抬起的情况,从而引发震动。
  (5)因为某些原因转子和汽缸不同心时,就会产生间隙震荡也就是汽隙震荡。
  2.2 转子的质量不平衡
  (1)转自因为产生了弹性弯曲的情况而引起了振动
  (2)汽轮机运行中叶片松动脱落或是由于不均匀磨损、结垢等,使得转子质量不平衡。
  (3)轴承的油膜受到破坏或者不稳定的时候,轴瓦的乌金就会被烧毁,热量会使轴颈发生弯曲,从而引发强烈的振动。
  (4)由于汽轮机内部发生了碰撞摩擦情况而引起振动。
  (5)水冲击引发振动。
  (6)发电机内部出现故障,比如发电机的定子与转子之间空隙不均匀或者发电机的转子绕组发生了短路情况,这情都会引发机组的共振。
  (7)由于汽轮机的机械安装部件发生了松动引发振动。
  2.3 生产的工艺因素
  (1)由于蒸汽中有水,所以进汽温度快速下降形成了水冲击的情况,冲击引起了机组的振动并且伴有轰鸣声等异响。
  (2)由于蒸汽品质不良导致流通部分的结构受到了腐蚀,破坏了转子的平衡所以引发了振动,并且新的蒸汽参数偏差较大,没有及时进行调整就会造成汽轮机的部件发生热膨胀、热应力的变化剧烈。
  (3)蒸汽式汽轮机的真空度有所下降,排汽温度相应升高影响了转子热态对中发生改变,这种情况下的震动往往在汽轮机的后端更为明显,并且振动的频率和转速是一致的。   (4)汽轮机在上次运行完停机后没有正常盘车,开机之前的暖机工作又没有充分完成,如果汽轮机在升速的时候汽封处有金属的摩擦声音,并且出现振动异常情况,就标志着转子已经弯曲了。
  (5)机组在运行中转速太过于接近临界转速,并且机组的某个部件的固有震动频率与汽轮机运行频率相等,造成了部件或汽轮机发生了共振。
  (6)汽轮机的运转带动了压缩机组,而压缩机工艺的调整使其进入了喘振区,从而导致汽轮机出现了非正常振动。
  2.4 油膜振荡
  汽轮机的转子工作时的转速在两倍转子第一临界转速下所发生的轴瓦自激振动叫做半速涡动,这种振动是不会与转子的临界转速发生共振的,所以振幅不明显,转子的工作转速如果高于两倍第一临界转速的时候,发生的轴瓦自激振动叫做油膜振荡,由于振动频率与转子第一临界转速接近所以会发生共振情况,此时转子会出现强烈的振荡情况 。
  油膜振荡有以下特征,首先是由于振动频率是组合频率所以次谐波非常丰富,与转子的第一临界转速相等;其次是在发生振动时伴随着声音异常以及振幅的突然增加;油膜振荡对于轴承润滑油的各方面变化较为敏感,比如温度、压力和黏度;轴心的轨迹为不规则形状,呈发散状,运动的方向为正进动。
  2.5 动静部分摩擦
  引起汽轮机的转子发生动静部分摩擦的原因有两个,一方面是由于转子的轴颈或是转子的外缘在涡动中与其他静止件发生了径向摩擦,另一方面是由于转子在轴向和静止件接触产生了轴向摩擦。动静部分径向摩擦有如下振动特性,其一是频谱中高次谐波较为丰富,工频除外;其二是时域波形图中有时候会出现波形消失的情况;其三是振动方向为径向振动;其四是反向位移的相位特征,并且存在突变情况;其五是轴心的轨迹紊乱。
  2.6 附属系统故障
  (1)润滑系统出现问题,汽轮机的润滑油品质不合格或者是油温过高,超出了运行范围,使轴瓦无法形成油膜而发生振动。
  (2)汽轮机的滑销系统由于内部结构或者卡涩等,使得汽缸纵向的膨胀受到限制,或者由于调节汽阀没有全部打开造成汽缸单方面膨胀现象,引发了振动情况。
  (3)调节系统中调节油压不稳,进油管口或者出油管口堵塞引起汽轮机振动。
  3 故障诊断
  前文对水泵汽轮机的现场运行情况进行了简单的介绍,详细介绍了对该水泵汽轮机进行振动测试以及频率测试的结果,综合分析发现:当水泵汽轮机的转速为4800r/min时,该水泵汽轮机的振动幅度和异常响声是最大的,此时:排汽管封口端的波纹管处振动达到了400μm左右。对水泵汽轮机异常响动推测分析,认为该异常响动可能是由于振动使得部分部件出现缺陷造成的。对此,工作人员在汽轮机停机时检查了汽缸,发现排汽扩散管得上部有2條几乎开裂到底的裂纹,故此推论异常响动是从这里发出的。然后,工作人员对这两条裂纹进行了补焊修补,修补后,水泵汽轮机开机后的异常响动消失,但是振动还未消失。
  从振动测试结果来看,给水泵汽轮机的振动特点是局部的微小碰撞摩擦,并且由测试结果来看,给水泵汽轮机的固有频率与共振频率极为接近。1号机组的给水泵汽轮机由于曾经发生过拉杆损坏的情况,所以汽缸与台板之间存在1.7mm左右的间隙,以至于两次烧毁了给水泵汽轮机与气泵轴连器。虽然通过在汽缸与台板之间增加垫片然后打紧螺栓的方式可以消除间隙,然后再更换掉排汽波形节和拉杆就可以了,但是这种处理方法无法消除导致汽缸变形的应力,汽缸滑销系统仍然无法正常工作。在刚开始的时候螺栓的紧力较好,所以给水泵汽轮机的振动尚不明显,但是随着时间发展,螺栓在运行中逐渐松弛,并且由于应力的释放,振动也就越来越明显。
  因为本文中提到的给水泵汽轮机的台板处有0.7mm左右的空隙,所以说明台板存在变形情况,导致间隙出现变化并且有相互摩擦碰撞,根据历史原因以及现存现象分析得知,导致振动最主要的原因是支持系统刚性不足。给水泵汽轮机的振动其实可以看做是支撑部分的可承受力与轴系激振力之间的对立统一,在线性系统中部件的振幅和动刚度是呈现反比的,与作用在这个部件上的激振力呈现正比,由于轴承座的刚度不足而引起的振动通常是一倍频的分量。如果想要减少机组的振动情况,可以通过降低激振力和增大支撑系统刚度两个方面来实现,比如轴承座的动刚度降低,那么在激振力不变的基础上轴承振幅会相应增加,由于共振的情况,振动的能量也就传递到了轴承座,导致轴承振幅加大。
  4 相应的处理措施
  在原因分析完之后就要制定修复故障的措施,来提高支持系统刚性,消除给水泵汽轮机的故障,具体的措施如下:
  (1)首先应该释放应力,将给水泵汽轮机的排汽管与汽缸排汔口的连接处隔断,将排气管割开后要保持排气管前后错位,以免再次产生应力。应力释放完之后用自然组状态的焊接方法将其重新焊接起来,这样就可以加强支撑系统的刚性。原来的给水泵汽轮机台板的间隙为0.70mm,在割开汽轮机排汽管后间隙为0.45mm,所以原来的给水泵汽轮机的排汽管就有顶起气缸的应力存在了。
  (2)将给水泵汽轮机全部拆解,按照以往的给水泵汽轮机大修标准进行一系列包括轴承调整和流通间隙的调整,振动和异响可能会造成部件的松动、损坏或者间隙较大等情况,通过大型的解体检修发现汽缸与末节的叶片之间因为间隙较小存在磨损,通过对比台板的螺栓在紧和不紧两种情况下的间隙值变化,可以看出台板的上台脱空情况对于给水泵汽轮机的间隙也存在很大的影响。
  (3)为了消除间隙,我们给台板的螺栓加了垫片后收紧,对给水泵汽轮机的台板进行了脱空处理。因为厂家本来的图纸上台板螺栓处留有0.1mm的间隙,但是因为台板有残余的应力,并且台板间隙会对汽封间隙产生一定影响,所以最终决定螺栓处不留空隙全部打紧,并且为了增加螺栓的紧力还在给水泵汽轮机的台板上加装了U型夹。
  (4)在给水泵汽轮机的端部排汽管顶端、直管位置和T型位置都按照其形状都焊接加装上钢板,钢板厚度在20mm左右,重量共计约400kg,这样的加装钢板的方式可以更好的改变给水泵汽轮机的排汽管的固有震动频率。
  (5)通过对其他部位的检查,发现1号和2号的轴承的座地角的螺栓有松动现象,所以在加紧螺栓的基础上,将原来的弹簧垫圈更换为了弹性更好、强度更高的新弹簧垫,这样就提升了支撑系统的刚性,减少了共振的情况。
  5 结束语
  2014年初,维修后的1号机组首次投入使用,再带满负荷运行的状态下给水泵汽轮机的转速保持在5000r/min左右,检修前1号、2号的轴振经常超过80μm,检修后均不超过45μm,并且振动较为稳定没有发生突变的情况,同时排汽管的膨胀节波纹共振情况也有很大的好转,最高振动值不会超过50μm,消除了给水泵汽轮机在震动方面存在的安全隐患。
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