汽机振动故障分析和处理

作者:曹春荣 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:17 发布时间:2017-11-20
2#汽机转轴碰磨引起的振动分析及故障处理。
汽机振动故障分析和处理

本文针对兰州石化公司2#汽机出现的两次振动联锁停机故障,通过现场数据分析、归纳得到汽机振动的故障特征,并结合油挡结构和材质剖析了激振力产生的原因。两起故障从特征、振动原因及检修处理方式上相同,油挡结构和材质的不合理,轴封漏汽引起结碳等原因是转轴发生碰磨、冲击,产生振动,引起联锁停机的主要原因。笔者结合了国内发电机组类似情况,提出了防治对策,对汽机日常维护,如何避免机组发生类似情况,保证机组长周期运行,具有现实指导意义。

2014年兰州石化公司动力车间的2#汽机因轴振动发生联锁停机;2017年同样因轴振动发生联锁停机。这两次联锁停机,前后相差了2年半,但在故障特征、故障部位及事后检修的处理,如出一辙,属于典型的重复性故障。有必要针对这两起联锁停机事件,探究其振动特性,振动原因,提出合理的防治对策,确保机组长周期稳定运行。

设备参数、结构概况

2#汽机是动力车间2#发电机组的动力设备,是配合锅炉系统节能降耗的一台关键设备。汽轮机为抽汽背压式,该汽轮机发电能力为18000 kW•h。来自锅炉的高温高压蒸汽(表压9.00~9.70 MPa,500~540℃),对汽轮机叶轮做功后,从汽机高压缸第九级抽汽,并入2.50 MPa(G)蒸汽管网,排汽并入1.0 MPa(G)蒸汽管网。

振动特征

1. 间隙性振动

图1和图2为2014年和2017年振动趋势图,从图中科看出有时汽机前轴振动一天波动1~2次,有时隔数天波动1次,时间间隔不固定。每次振动从开始到结束约5~10 s,时间极短。

2. 振动突变值渐增

图1可以看出前轴振值24G02X/Y从正常的38 μm突变至50 μm、72 μm、82 μm。从图2可以看出,振动突变值明显有所增大,从最初的29 μm突变至49 μm、66 μm。前后两次数据均表明振动突变时幅值呈增大趋势,且振动突变量从开始阶段5 μm,到最后阶段的40~70 μm,明显呈增大趋势。
激振源分析

2#汽机使用的是高温高压蒸汽。2015年大检修后高压端平衡活塞单边间隙为0.70~0.90 mm,比原设计数据0.30~0.56 mm大,漏气量从原设计的0.8 kg/s增加到1.7 kg/s。其次,轴封冷凝器冷却水进水压力低、排水不畅、流速慢等问题,致使轴封冷凝器冷却效果不好,导致轴封处泄漏的高温蒸汽向油封方向泄漏,油封内润滑油因高温蒸汽作用而碳化,硬质碳化物将油挡内表面犁削并堆积在油挡内表面,进而将油挡的2个槽道在某一弧段内堵死,经过一段时间的累积,油挡内表面碳化物与转子间产生力的作用,导致转轴间隙性振动。

图1 2014年振动趋势图

图2 2014年细化后振动趋势图
(注:图谱中24G02X/Y颜色分别为蓝色和红色,24G03X/Y颜色分别为黑色和黄色。)

激振力分析

油封表面的碳化物坚硬,随着碳化物增多,结碳趋于严重,转子与油挡之间的压力越来越大,摩擦力也越来越大,最终引起转子发生热变形,表征为振动趋势逐渐增大,增大到某一值后,因硬质碳化物对转轴产生冲击,形成一个振动高点,产生峰值,若此峰值超过联锁值则停机,如果小于联锁值,由于转轴与油挡之间力的作用,迫使一部分碳化物从油挡内表面脱落,同时迫使油挡在力的方向上产生微小的位移,形成新的结构匹配参数,直至在转轴、油挡达到一个新的平衡点为止,振动再次趋于稳定。在一段时间内,这种振动重复发生,每次振动值均有所上升,且越来越剧烈,直到油封内表面结碳越来越严重,致使转轴承受的压力、摩擦力越来越大,系统刚度随之变化。这两种因素导致油挡表面硬质碳化物对转轴作用力而产生的振动值越过设定联锁值,最终导致汽机联锁跳车。

频率分析

经过现场分析认为局部碰磨除了摩擦作用,还会产生冲击作用,其直观效应是给转子施加了一个瞬态激振力,激发转子发生工频振动,说明上述两次联锁停机故障,主要发生了冲击振动。国内有资料表明摩擦振动的特征有明显的谐波成份或次谐波成份。次谐波成份突出与否与转子不平衡状态、系统阻尼,碰磨程度,摩擦副几何形状,材料特性等有关。2#汽机在前面两次联锁停机故障中显示了工频振动,但是在2017年振动突增的故障中,显示了1/2分频振动,这是一次典型的非线性强迫振动,表明油挡与转轴之间的碰磨严重,轴心轨迹呈明显的反进动也证明了这一点。说明在同一部位,随着振动状态的变化,频率成份也随之变化,这显然是一个量变到质变的过程。

振动状态分析

2017年出现的多次故障,经过比对可以看出振动的初相点没有变化,说明这种短时间内的摩擦力,弯曲变形不足以改变原始不平衡量的位置;椭圆长轴的倾角约在+10º~-30º之间摇摆,基本在水平方向。椭圆呈现水平扁圆状,这是由于油挡作为支点增加了垂直方向的支撑刚度,改变了系统结构参数,同时也是转轴与油挡间作用力增大的结果。转子经过碰磨后,并没有引起转子频率成份的改变,也没有引起波形削顶现象的发生,轴心轨迹也无明显的变化,这是转子发生轻微碰磨所特有的现象;但转轴最后一次所承受的冲击振动巨大,致使联锁停机,这是一个由量变到质变的过程。

故障处理及效果

检查拆卸下来的汽轮机前后轴承箱前油挡发现,高压侧油挡积碳硬化严重,油挡局部破损严重,底部油槽被堵塞,低压端油挡回油孔堵塞。更换高压侧油挡,对低压端油挡进行了清理回装。维修后2#汽机重新开机并网,最初前轴振动最大值为38 μm,一直稳定运行约5个月。再次停机检修时,发现油挡情况与上一次类似。

汽机振动的预防措施

2#汽机并网运行后,在大修期间油挡均磨损严重而不得不更换油挡。油挡寿命短,故障多,更换频繁的情况均说明浮动油挡并不可靠。查阅相关公开报道,国内多台机组也出现类似的问题,内蒙达拉特电厂4#机自1999年装有浮动油挡以来出现过轴振波动的现象,广西柳州电厂1#机,同样出现不稳定振动。这些机组与2#汽机一样,有一个共同的特点,即改造安装了浮动油挡。后期这些装置改为齿式油挡后,再也没有发生类似的故障,说明浮动油挡对汽机轴系的影响非常大,加上油挡结碳等情况,使得振动状况进一步加剧。结合汽机目前不稳定的运行状况,建议将2#汽机的油挡改为齿式油挡。

结语

(1)通过对2#汽机历年发生的故障,从振动特征进行深入分析,有效地将不同的故障分析清楚,找出问题的本质,可从根本上去解决设备故障。

(2)油挡结构、材质的不合理,轴封漏汽引起结碳等原因是转轴发生碰磨、冲击,产生振动,引起联锁停机的主要原因。

(3)改造的不合理易导致新的故障产生,应避免此类题的产生是设备专业人员必须具备的专业素养。

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