汽轮机轴系振动故障研究汇总.docx

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汽轮机轴系振动故障研究汇总

汽轮机轴系振动故障研究

汽轮机轴系振动故障研究汽轮发电机组是电厂中的重要设备，而汽轮发电机组的振动严重威胁着汽轮发电机组的安全运行。

机组运行中，轴系振动最常见的后果是导致机组无法升速到工作转速，个别情况下，轴系振动大会造成汽轮发电机组设备损害事故，如动静摩擦等引起大轴弯曲，支持轴承的乌金破碎或严重磨损，甚至转子断裂。

例如2001年广东省就有3台大型机组发生高压转子永久弯曲事故。

1988年，某电厂600MW引进机组发生高压缸叶片断裂重大事故，直接损失2400万元，此外近几年运行中叶片断裂事故也逐渐增多，如果不即时发现并确切诊断，则很可能造成大面积叶片断裂，而引发大轴弯曲或飞车事故，此类事故不胜枚举，不仅间接直接经济损失巨大，而且更严重的是影响机组的寿命，威胁生命安全。

本人根据自己现场工作经验，列出常见的振动原因，及其如何在运行和检修中防范。

第一章  机组振动故障诊断

第一节  质量不平衡

转子质量不平衡是汽轮发电机组最常见的振动故障，它约占故障总数的80%。

随着制造厂加工，装配精度以及电厂检修质量的提高，这类故障的发生率正在逐渐减少，过去国内大型汽轮机厂中只有个别厂家可以对大型汽轮机转子进行高速动平衡，现在几乎全部厂家都可以做。

至于发电机转子的高速平衡，各电机厂早已能够进行。

现场检修过程中的转子平衡方法也在不断改进。

低速动平衡有些电厂已经抛弃了老式的动平衡机，取而代之是使用先进的移动式动平衡机。

即便如此质量不平衡目前仍是现场振动的主要故障。

一.转子质量不平衡的一般特征

（1）  量值上，工频振幅的绝对值通常在30um以上,相对于通频振幅的比例大于80%

（2）  工频振幅为主的状况应该是稳定的这包括

1）  各次启机

2）  升降速过程

3）  不同的工况,如负荷,真空,油温,氢压,励磁电流等                   

 （3）工频振动同时也是稳定的

 二.转子质量不平衡的分类特征

  汽轮发电机组转子的质量不平衡产生的原因有三个:

原始不平衡;转动过程中的部件飞脱.松动以及转子的热弯曲。

原始不平衡是主要原因。

（一）  原始质量不平衡指的是转子开始转动之前在转子上已经有的不平衡。

它通常是在加工制造过程中产生的，或是在检修时更换转动部件造成的。

这种不平衡的特点除了上面介绍的振幅和相位的常规特征外，它的最显著特征是“稳定”，这个稳定是指在一定的转速下振动特征稳定，振幅和相位受机组参数影响不大，与升速或带负荷的时间延续没有直接的关联，也不受启动方式的影响。

具体所测数据中，在同一转速下，工况相差不大时，振幅波动约20%，相位在10°～20°范围内变化的工频振动均可视为是稳定的。

（二）  转动部件飞脱和松动

    汽轮发电机组振动发生转动部件飞脱可能有叶片．围带.拉金以及平衡质量块；发生松动的部件可能有转子线圈.槽楔.联轴器等。

    飞脱时产生的工频振动是突发性的，在数秒内以某一瓦振或轴振为主，振幅迅速增大到一个固定值，相位也同时出现一个固定的变化。

相邻轴承振动也会增大，但变化的量值不及前者大。

这种故障一般发生在机组带有某一负荷的情况。

   （三）转子热弯曲

    转子热弯曲引起的质量不平衡的主要特征是工频振动随时间的变化，随机组参数的提高和高参数下运行时间的延续，工频振幅逐渐增大，相位也随之缓慢变化，一定时间内这种变化趋缓，基本保持不变。

    存在热弯曲的转子降速过程的振幅，尤其是过临界转速时的振幅，要比转子温度低启机升速是的振幅大。

两种情况下的波特图可以用来判断是否存在热弯曲。

    新机转子的热弯曲一般来自材质热应力。

这种热弯曲是固有的，可重复的，因而可用平衡的方法处理。

有时运行原因也会导致热弯曲，如汽缸进水.进冷空气.动静摩擦等。

只要没有使转子发生永久朔性变行，这类热弯曲都是可以恢复的，引起热弯曲的根源消除后，工频振动大的现象也会随之自行消失。

第二节  动静摩擦

汽轮发电机组转动部件与静止部件的碰摩是运行中常见故障。

随着现代机

向着高性能.高效率发展.动静间隙变小，碰摩的可能性随之增加。

碰摩使转子产生非常复杂的振动，是转子系统发生失稳的一个重要原因轻者使得机组出现强烈振动，严重的可以造成转轴永久弯曲，甚至整个轴系毁坏。

因此对汽轮发电机组碰摩的诊断和预报无疑会有效地提高运行的安全性，防止重大事故发生。

一.机组碰摩原因

机组动静碰摩通常有下列起因

（1）转轴振动过大。

造成振动过大可以是质量不平衡.转子弯曲.轴系失稳等，不管何种起因，大振动下的转轴振幅一旦大到动静间隙植，都可能与静止部位发生碰摩。

因此，和动静碰摩有关的机组故障中，碰摩常常是中间过程，而非根本原因。

（2）由于不对中等原因使轴颈处于极端的位置，使转子偏斜。

非转动部件的不对中或翘曲也会导致碰摩。

（3）动静间隙不足。

有时设计上的缺陷所造成的，设计人员将间隙定为过小的量值，向安装部门提供的间隙要求同样太小。

它也是安装.检修的原因，动静间隙调整不符合规定所致。

（4）缸体跑偏，弯曲或变形。

国产200MW机组高压转子前汽封比较长，启机中参数不当容易造成这个部位发生摩擦，进而造成大轴朔性弯曲。

全国大约有30多台机组发生过这样的故障。

开机过程中，上下缸温差过大，造成缸体弯曲变形，是碰摩弯轴的主要运行原因之一。

二.碰摩的诊断方法

 机组动静碰摩的现场诊断是一项难度比较的的技术。

因为如果认为发生了碰摩，常常需要开缸处理，工作量较大，这就要求诊断的高准确性。

 现有的诊断方法主要还是根据振幅.频谱和轴心轨迹。

碰摩的确定，还需要了解机组安装或大修中的情况，查阅有关的间隙记录。

现场运行人员在启机过程常采用“听诊”的方法，对碰摩的确定有时也是有用的。

这些在诊断过程可以有机的结合起来，提高诊断的准确性。

但要注意，由于高中压缸都是双层缸，有的机组低压缸也是双层缸，通流部分的碰摩很难传初来，只有轴端汽封的碰摩声比较容易听到。

因而，不能片面地将某一种方法的结论作为是否发生碰摩的决定性判据。

第三节  汽流激振（间隙激振）

 由于动静部分间隙引起的低频振动，称之为“间隙激发振动”。

他与机组所带负荷有关，在一定负荷是突然发生振动，但所带负荷略低于限制值时，振动会衰减下去，这种振动的频率与转子的临界转速相对应。

在临界转速是，机组高压转子产生的这种振动振幅最大。

一.汽流激振的振动特征

 汽流激振通常发生在高参数机组的高压转子上，特别是超临界机组，例营口电厂，南京电厂，绥中电厂都是俄供的超临界机组，都出现过高压转子轴振过大。

（1）  涡动-----震荡自激振动的进动方向是向前的，轨迹是圆或近似圆形。

（2）  振荡是，随振幅逐渐接近的偏心率，自激振动的频率接近转子横向的固有频率。

二.汽流激振的治理

1.  增大轴颈在轴承中的偏心率

2.  增大油膜的径向刚度

3.  改变润滑油温

4.  增加转子的刚度

     第四节联轴器不对中

不对中是汽轮发电机组振动常见故障。

关于机组轴线的几何形状有两个定义，一个是轴承的对中，它是指轴承内孔几何中心在横截面的垂直和水平方向上与转子轴颈中心预定位置的重合程度。

另一个是联轴器的对中，也就是轴系转子个轴线的对中。

联轴器不对中是指相邻两根转轴轴线不在同一直线上；或不是一根光滑的曲线，在联轴器部位存在拐点或阶跃点。

设计阶段，根据选用的轴承，转子的质量，轴承标高的热变化量等确定各轴承的负荷分配，再计算确定各个轴颈中心在轴承中的偏心角和偏心率，即轴颈静态位置。

然后根据转子的重力挠度曲线确定各轴承的扬度，供安装时使用，同时各轴承的静态负荷也随之确定。

机组安装时依照这些值对各轴承座和缸体进行找正找平，使各个轴承的静态负荷达到预定值，同时也自然保证了轴颈中心在轴承中的位置与原定的一致。

如果轴承的标高高于规定值这个轴承的负荷要比原定值高，如果轴承的标高低于规定值这个轴承的负荷要比原定值低，这两种不对中都是不希望出现的。

联轴器有三种不对中：

平行不对中.角度不对中.和综合不对中。

它们会给机组带来下列后果：

（1）  转子连接处将产生两倍频作用的弯矩和剪切力；

（2）  相邻轴承将承受工频径向作用力。

两种力的作用都将使转轴的轴承受到情况恶化，对结构和安全产生不利影响。

    第五节 转子中心孔进油

一中心孔进油造成振动的机理

汽轮机转子中心孔进油在现场时有发生。

造成进油的原因有两种可能，一是中心孔探伤后油没有及时清理干净，残存在孔内；二是大轴端部堵头不严，运转起来后由于孔内外压差使的润滑油被逐渐吸入孔内。

中心孔有油后会使转轴出现震动问题，它造成的震动在机理上有数种不同的说法。

一种说法认为，转动时孔内液体转速比转轴低，这样液体会产生一个比转动频率低，但是频率接近转速的次同步激振力，这个激振力和工作转速合成后可以产生拍振或和差振动。

另有说法认为，孔内液体的黏性剪切力使得液体的离心力相对于高点有一个超前角，这样，离心力可以分解出一个与涡动方向一致的切向力。

因为涡动一般是次同步的，转子轴承系统容易产生以它本身的固有频率一致的涡动，当转子转速高于临界转速时，由液体离心力分解出来的涡动力造成次同步失稳。

还有说法认为，当转子加热到一定温度时，黏附在中心孔壁上的润滑油发生热交换，使转子产生不对称温差，转子内壁局部被加热或冷却进而发生热弯曲，所产生的不平衡质量引起振动增大。

上述各种说法对转轴中心孔液体造成振动的机理特征的说明是不一致的。

但从现场机组发生中心孔进油的实例看，在振动特征有一点是共同的。

即都出现工频振动增大的现象，具体有如下一些特征。

（1）  工频振幅随时间缓慢增大，时间度量大约是数分钟或1~2小时。

出现的工况一般在定速后空负荷或负荷过程。

（2）  这种故障的发现通常在新机组调试阶段或机组大修后。

往往初始的一.二次启动没有这种现象，后几次越来越明显。

因此，判断的一个很重要的依据是将几次开机的振动值进行比较。

二.一台国产200MW机组中心孔进油的实例

戚墅堰电厂11号机组是东方汽轮机厂生产的三缸三排200MW机组。

调试期间3号轴承振动最大为36.3.um。

调试后的试运期3号轴承振动增大，一个多月的时间共启机15次，并网带负荷10次，其中8次因3号轴承振动超标停机。

3号轴承振动有下列特点

（1）  从冲转升速，过临界转速，到3000rpm，机组振动，3号轴承振动均正常。

（2）  负荷50MW以上时（中缸温度400℃左右），3号轴承振动和轴振同时上升，波形为标准的正弦波，主要成分是工频；而且振动相位发生变化（见表5-1）

（3）  3号轴承振动随负荷.缸胀真空等影响明显。

（4）  振动一旦大起来，改变负荷和其它参数都不能使振动降下来，只有停机。

（5）  停机降速过程，过临界转速时振动比启动时明显增大。

3号轴承升速过中压转子临界转速1600rpm时振动为53um，振动超标停机降速过1600rpm为115um，振动值增大一倍。

（6）  停机后大轴挠度达到100~110um，在转子完全停止后的2小时内恢复到原始+20um

表5—1  3号轴承振动幅值相位变化情况

时  间  负   荷  振动⊥（um）  振动－（um）

17:

50   10  44∠174  9∠61

18:

15  20  47∠163  10∠59

19:

10   50  45∠156  9∠47

20:

45   50  62∠151  14∠43

21:

02   50  65∠140  15∠46

21:

15   50  67∠148  16∠45

从振动随负荷变化的情况看，象热弯曲和中心孔进油，将3号轴承振动调试期间和投产期间进行比较，得知初始振动是好的，如果存在热弯曲，振动表现应该始终相同。

因此决定揭高.中压缸检查转子碰摩情况和打开中心孔堵头检查是否有油。

解体发现中低压接长轴孔内有1.5~2.0公斤透平油，中压转子孔内有0.5公斤透平油

分析认为，接长轴内的油是从联轴器的键槽吸入的。

通常应该在接长轴上打出两个Ø5的中心孔，但这台未打，制造厂在接长轴中联轴器的调整垫片上铣出了4mm×4mm的十字泄油槽。

中心转子孔内的油是从两端堵头由制造厂加工的Ø5的通孔吸入的。

第二章 轴系振动事故及其防范

       第一节大轴弯曲的成因

一、造成大轴弯曲的成因有如下几种：

1、  汽缸变形改变了通流部分间隙，启动过程中发生的动静摩擦，使转子发生弯曲。

汽缸变形主要是运行操作不当，汽缸上下温差或左右温差超过规定值，使汽缸发生热变形。

变形可以在开机升速过程中发生，也可以在转子处于静止状态是发生，冷水或低温蒸汽进入汽缸，使缸体温度不均匀。

缸体膨胀不畅同样回造成汽缸变形，真空的改变和汽缸变形的后果是一样的，因而也是引起弯轴的原因。

2、  转子弹性变形，升速是发生动静摩擦，进而转子出现塑性变形               

 转子弹性变形最常见的原因是转子振动大，大到达到动静间隙。

这种情况可以发生在临界转速，也可以发生在任一转速，但都是出现在转子做同步涡动的条件下，多数发生在质量不平衡造成的工频振动大的状态下。

 转速低于临界转速时，工频振幅位移响应高点滞后于由不平衡质量（重点）产生的激振力的相位差是小于90°锐角，（如图a）做弓行回转的转子在转动一周中朝向外的一侧始终向外。

如果这时转子的振动高点与静止部件发生碰摩，碰摩点局部区域温度上升，材料轴向的线膨胀促使使转子进一步向振动高点的方向弯曲，方向和重点的方位一致，使转子的不平衡质量增加，振动增大，增大的振幅加剧碰摩的力度，使温度进一步升高，这就形成了一个恶性循环，因此，临界转速以下是大轴碰摩永久弯曲的最危险的转速区。

临界转速时，振动高点滞后与90°，高点的碰摩造成转轴的弯曲所形成的新的不平衡力fbow与转子原来的不平衡力funba的合力f位于逆转的位置（图b）这个力引起的响应的高点也要逆转向转动同一角度,这样就形成碰摩点的逆转向旋转,如果这个过程发生的较慢,碰摩点可以做全周旋转,转子的受热区域也随之而不固定,转子的热弯曲比临界转速以下时状况要轻微.

转速在临界转速以上时,振动高点与不平衡力的相位差是一个大于90°,小于180°的钝角,高点的碰摩产生的热弯曲不平衡质量会抵消一部分原始不平衡质量,使工频振动减小,碰摩减轻甚至脱离,因此这种转速下碰摩引起弯轴的危险性远小于转速低于临界转速时碰摩引起的弯轴的危险性,但严重的碰摩无法使碰摩点脱离时,仍然可能使大轴产生永久弯曲.

水或低温蒸汽进入汽缸同样可能造成温度的不均匀,使转子弯曲.这应该发生转子静止状态,不会在转动状态。

　高速转动的转轴和静止部件发生碰摩是，由于相对摩擦的作用，接触点的局部温度可以高达上千度，这个温度上升得很快，转轴上以接触点为中心的区域温度梯度很大，局部材料受热膨胀，同时产生极大的热应力。

如果热应力没有超过材料的弹性极限，仅会使转子向碰摩点一侧发生弹性变形，局部高温消失后弹性变形随之消失，转轴恢复如初。

但是，如果热应力超过了材料的弹性极限，转轴表面材料要发生压缩性塑性变形，温度均匀之后，使得转轴呈现向摩擦点一侧的永久弯曲。

三、大轴弯曲的预防和运行中的紧急处理措施

防止大轴发生永久性弯曲可以从运行操作，振动监测，系统设计和轴系的结构设计几个方面采取措司。

1、  运行操作

（1）、根据原电力部1989年颁布的机组反事故措施规定，冲转前大轴晃度不大于原始值0.02㎜，启动前对大轴进行测定，主要检查是否在停机期间发生了轴的弯曲，所以轴晃动值是汽轮机冲转的一项重要条件。

如果机组安装后或检修后原始大轴晃动值比较大时，一定要记录下最大晃动值的方位，作为以后启动前测量大轴晃度的参考。

（2）、启机过程中严格注意高压缸上下，左右温差，注意膨胀和差胀。

防止汽缸的不均匀受热和冷却，发现缸胀不匀不畅时要查明原因再升速。

启机过程中应该注意下列控制值：

高压缸内外壁上下温差小于35℃，高压外缸内外壁和中压缸内外壁上下温差小于50℃，高压内缸外壁和高压外缸内壁温差小于50℃，差胀和轴向位移应该在允许范围内。

（3）、防止冷态启机前锅炉冷态打压或在启机过程中冷水漏入汽缸，防止汽缸进冷气。

（4）、在盘车，低转速或中速暖机时，采用金属杆听的方法对于发生在轴端汽封，挡汽片或油挡的碰摩判断是有效的，但对于高压低压双层缸内发生的不严重的缸内碰摩的判断，经常是不准确的，实际中不可绝对化。

2、  振动测试，预报和应急处理措施

（1）  确定防止弯轴的监测重点部位

（2）  在定速下对振动爬升的注意

几个转速点的振动值不能超过常规值，主要包括500rpm和和中速暖机的转速,要特别注意刚升到暖机转速,振动就很大,又有持续上升的情况,这时发生碰摩弯轴的危险性较大。

如果刚升到暖机转速，振动不大，但持续上升，除了碰摩，其它运行原因也会引起弯轴。

（3）  转速3000rpm时,振动逐渐增大的处理

碰摩造成大轴弯曲的过程有是发生在机组降速。

临界转速以上或3000rpm转速的弯曲仅是弹性弯曲，振动的爬升是由轻微的碰摩引起的。

如果这时打闸停机，过临界转速时轴振增大，碰摩加剧，导致转子局部碰摩点过热，形成永久弯曲。

数台机组弯轴的实际过程证实了这种成因的可能性。

　由此可以得到两个重要的经验：

①如果3000rpm碰摩的重点监测部位出现工频振动逐渐增大的现象，当时排除转子热弯曲等其他可能，较肯定是发生了碰摩，这时不能打闸，而应该手摇同步将转速降到工作转速与临界转速之间的某点，如2500rpm,定速点的确定以振幅比3000rpm小为准,然后保持转速观察振动变化,寻找相应办法,有可能碰摩脱离转子逐渐恢复,这时不打闸的目的就是防止降速过临界转速造成碰摩永久弯曲。

②如果中速暖机时确定转子已经弯曲，强行冲过临界转速后可能会发生“冲得过去降不下来”的局面。

还不如不冲临界而将转子停下来盘车直轴。

3、  系统设计

从防止大轴弯曲角度出发,系统的设计应该注意以下几点：

（1）  主蒸汽管道和再热蒸汽管道设计时应进行疏水坡度计算,以确保疏水系统不能向缸内返水。

（2）  各级抽汽管道的水平段应该有足够的坡度，使疏水畅通。

（3）  不同的压力疏水不能接在一个疏水箱上，高低压应分开。

（4）  所有疏水管道布置时不得出现积水区，防止启机时把积水吸入下汽缸。

（5）  汽缸底部疏水口直径可以适当放大，接到凝汽器外壳上的疏水管开孔位置应该在凝汽器热井最高水位以上。

第三章　严格汽轮机检修工艺，防止大轴弯曲

第一节  *背轮找中心

*背轮找中心，是用*背轮找两根转子的中心，机组的理想中心线在运行状态下，其俯视图为一条直线，正视图为一条平滑曲线，并且通过通气部分（静止部分）间隙与磁场中心。

由于找中心时冷态的，运行时热态的，要使冷态找的中心达到热态的理想要求是很不容易的。

一、*背轮找中心时必须注意下列事项

（1）  盘动转子时，要求要慢，要均匀，不要冲击，避免使百分表杆移位。

百分表杆指的某些固定点应避免移位，因为移位以后，百分表的指示数值将有变化，所用的固定点就不固定了，因此便产生误差。

（2）  找中心用的专用工具安装好以后，在转子没转动以前，不能开始记录。

（3）  转子不准倒盘。

有人担心带动*背轮的销钉会在盘动过程中产生蹩劲，使转子在轴瓦上不能落实，所以人为地用撬棍撬动盘车齿轮，使主轴转子倒盘一些。

其实这完全没有必要，转子的重量会克服这微量的阻力的。

每盘动转子一次，严格要求盘正，间隔90度。

（4）  测量工具要有主够的刚度

第二节  汽缸保温

 有的电厂汽缸保温层较薄，外面温度较高，保温层也不光滑，不但散热损失大，而且必然造成停机后缸体上下温差过大，致使汽缸驼背。

汽轮机启动时容易造成转子与隔板汽封摩擦，这是造成弯轴的另一个主要原因。

汽缸体尤其是汽缸下部保温不良，主要有下列原因：

（1）  上汽缸化妆板小，汽缸上边的化妆板太紧凑，保温层厚了便装不上化妆板，不得不削足适履，而没有去改大化妆板，这是上缸体保温不良的主要原因。

（2）  下汽缸保温层一般大修不拆掉，因此大修过程中也无人照管。

（3）  对下汽缸保温层保温不良会造成什么后果认识不足，因此即便有些地方被拆开或不完整的情况也没人加以注意。

下汽缸冷空气从下往上流通，造成停机上下温差很大，有时达到100℃以上。

下汽缸温度低于上汽缸，主要有以下两个原因：

①  热量总是从下部往上部传导。

②  汽缸与基础之间有间隙，如不装下汽缸化妆板或装接不好，冷空气总是由汽缸间隙往上流通，将下汽缸的一部分热量带走缸体保温不良会造成缸体向下弯曲（即驼背）使隔板汽封间隙上边增大,下边减小因此容易产生转子与隔板汽封摩擦而弯曲.从汽缸纵剖面看，中心线弯曲与上下汽缸温差关系可用下式求出：

 Y=12

d---------汽缸圆柱部分平均直径，mm

l----------汽缸圆柱部分平均长度，mm

⊿t-------汽缸上下壁温差， ℃

 汽缸保温层一定要做好，这项工作不是难以解决的技术问题，但是要做好这项工作，必须要认真，仔细，负责。

要使上下缸体保温严密，最好依照汽缸的形状采用块状成型的保温材料，不要用湿保温材料直接与汽缸体接触。

块状保温之间不要留有间隙，必要时塞以纯石棉绒，下缸的化妆板一定要装好。

 汽缸的保温标准推荐为：

（1）  用手抚摸保温层外面，以手能放得住的最高温度（约60~65℃）

（2）  汽缸上下缸温差，按部颁《汽轮机组运行规程》规定不应超过35℃,最高不得超过50℃,从多年的运行经验看，只能更严格，不能再放宽。

第三节  检修或安装时汽封间隙配置

汽封片是防止高压蒸汽向低压泄露（真空）部分空气泄入汽