汽機(jī)及汽輪機(jī)十種振動原因與故障排除處理方法(附：軸和殼體溫差下的彎曲量估算公式)

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17-2-/18一、汽輪機(jī)的分類：1、火力發(fā)電廠中的蒸汽輪機(jī)：發(fā)電廠的核心是蒸汽輪機(jī)。沸騰的水（有時加入一些溶劑）產(chǎn)生的蒸汽在熱量的幫助下驅(qū)動渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子，最終導(dǎo)致耦合軸旋轉(zhuǎn)。該軸還連接到發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)將該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電力。2、蒸汽輪機(jī)中的振動：從結(jié)構(gòu)上講，蒸汽輪機(jī)是一個復(fù)雜的組件，它將許多復(fù)雜的部件組合在一起，任何一種由于動部件和對應(yīng)配合靜部件等引起的不可控振動都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障，從而導(dǎo)致重大災(zāi)難。二、十種汽輪機(jī)振動的主要原因：（一）、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子失衡：1、安裝和維修方面：如轉(zhuǎn)子動平衡不理想、隔板通道不合格、葉片節(jié)距偏差、兩個半隔板之間的裝配不當(dāng)或固定葉片的外緣腐蝕。3/182、維護(hù)大修后，必須仔細(xì)維護(hù)所有葉片的相同重量和材料，尤其是僅更換少數(shù)葉片時。3、即使葉片重量或重心的微小變化也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡和振動。4、運(yùn)行過程中：轉(zhuǎn)子結(jié)垢、質(zhì)量脫落、碰磨或裂紋等次生彎曲導(dǎo)致失衡、應(yīng)力腐蝕等導(dǎo)致失衡。5、如轉(zhuǎn)子結(jié)垢，一臺30MW的蒸汽輪機(jī)在污染情況下可能損失高達(dá)5%的發(fā)電量。4/18（二）、對中：1、可能導(dǎo)致汽輪機(jī)多軸承軸系振動行為變化的關(guān)鍵因素是不對中，這會在聯(lián)軸器上施加過多的彎矩。2、發(fā)生錯位的跡象之一是冷熱振動行為的改變。這種沖擊可以觀察到為每轉(zhuǎn)一次的振動。3、在理想情況下，總長度約為70m的完整渦輪發(fā)電機(jī)組軸線應(yīng)為連續(xù)且平滑的曲線。否則，就可能存在錯位的問題。4、下圖表示渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的軸線不對中。它負(fù)責(zé)改變蒸汽輪機(jī)的振動行為。5、為避免此類情況或處理錯位問題：我們應(yīng)該確保固定部件和旋轉(zhuǎn)部件之間有足夠的間隙，以及軸和軸承之間的同心度。這種情況主要是由于軸承故障造成的，因此更換軸承將有助于消除不必要的振動。6、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動，故障可能由維護(hù)不當(dāng)引起。從轉(zhuǎn)子上拆5/18下閥盤的操作不正確，導(dǎo)致軸上有很深的劃痕。7、修理需要對軸進(jìn)行返工和重新平衡，以防止可能導(dǎo)致振動的不平衡。8、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動蒸汽可以繞過螺栓。插入孔中的大型螺栓用于將大型水平接頭法蘭牢牢固定在高壓氣缸中。螺栓孔是由于汽缸變形和管道壓力變化而可能形成蒸汽噴射泄漏的地方。（三）、旋轉(zhuǎn)元件的磨損：1、在運(yùn)行的蒸汽輪機(jī)中，旋轉(zhuǎn)部件受到恒定靜態(tài)和動態(tài)載荷情景的影響。這種持續(xù)的負(fù)載和高壓會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)元件的磨損、不平衡和錯位，從而導(dǎo)致不必要的振動。2、磨損部件的另一個原因可能是蒸汽對渦輪轉(zhuǎn)子的突然沖擊。這種影響發(fā)生在汽輪機(jī)無故跳閘的情況下。部件的磨損最初可能會導(dǎo)致較小的振動幅度，通常不會立即導(dǎo)致故障。然而，如果長時間不干預(yù)，情況會變得更糟。3、由于間隙不足而導(dǎo)致摩擦?xí)茐霓D(zhuǎn)子的末端密封。這種情況通常發(fā)生在工作速度下的高質(zhì)量轉(zhuǎn)子與靜止表面接觸時，通常是由于迷宮或隔板壓蓋密封件與轉(zhuǎn)子之間的間隙太小引起的。其次，接觸點(diǎn)可能會局部溫度升高，導(dǎo)致接觸點(diǎn)的金屬溫度由于摩擦而升高。4、大型旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子質(zhì)量與固定密封件的沖擊產(chǎn)生的力通常會在轉(zhuǎn)子表面上留下一層金屬。摩擦?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)子在撞擊點(diǎn)處的彈性變形和臨時轉(zhuǎn)子軸彎曲。軸彎曲通常會導(dǎo)致振動水平增加。6/185、接觸脫離接觸的間歇性碰磨：（四）、軸頸軸承損壞：1、在使用條件下，存在不同的磨損、疲勞，這可能損壞汽輪機(jī)最敏感的部件之一的軸頸軸承。這種損壞將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸不穩(wěn)定，并導(dǎo)致不受控制的高振幅振動。2、在循環(huán)載荷情況下可能會出現(xiàn)相對較大的相對位移，這最終可能成為軸承零件松動和間隙不足的原因。3、軸頸軸承特有的問題之一是油膜不穩(wěn)定性，這是火力發(fā)電廠汽輪機(jī)感應(yīng)自激振動的原因。7/188/18（五）、脹差和轉(zhuǎn)子膨脹：1、脹差被稱為轉(zhuǎn)子軸向熱增長相對于殼體的測量值。2、轉(zhuǎn)子膨脹是轉(zhuǎn)子相對于渦輪機(jī)基礎(chǔ)的軸向熱增長的絕對測量值。3、當(dāng)汽輪機(jī)處于暖機(jī)狀態(tài)時，由于不均勻的熱膨脹，這些現(xiàn)象常會發(fā)生，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)振動。（六）、介質(zhì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)波動：1、為了保持渦輪軸的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生恒定的電力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)保持平穩(wěn)操作和高可靠性。2、由于一些運(yùn)行問題，輸入的蒸汽參數(shù)不符合負(fù)荷要求，這會導(dǎo)致突然的顛簸，最終導(dǎo)致渦輪機(jī)振動。3、介質(zhì)不達(dá)標(biāo)，溫度壓力參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況，也會導(dǎo)致汽輪機(jī)振動。譬如介質(zhì)液擊，如果疏水閥未開，有過多的積水，也會有類似情況發(fā)生。9/184、執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能導(dǎo)致汽輪機(jī)發(fā)生氣流激振。5、下圖是探頭支架異常導(dǎo)致振動跟隨轉(zhuǎn)速變化但波動劇烈。6、下圖是低負(fù)荷下水或濕蒸汽進(jìn)入而損壞的葉片翼型。10/18（七）、潤滑不當(dāng)：1、渦輪由多個旋轉(zhuǎn)部件組成。渦輪部件之間潤滑油的正確循環(huán)確保了允許的操作。2、潤滑油不足或缺乏會導(dǎo)致部件摩擦，從而導(dǎo)致無法避免的振動和嚴(yán)重?fù)p壞。3、需要注意的是，國際工程保險協(xié)會報(bào)告稱，世界上汽輪機(jī)故障的最高頻率是因?yàn)橛偷膿p失。4、下圖是油溫提高37-46的振動上升，緩慢降低油溫后振動下降。11/18（八）、渦輪轉(zhuǎn)子彎曲：1、第一個是“彈性彎曲”，這是由于轉(zhuǎn)子上的靜載荷而發(fā)生的。2、第二個是“臨時彎曲”。發(fā)生臨時轉(zhuǎn)子彎曲的原因主要有兩個：轉(zhuǎn)子受溫度場不均勻（溫度也可由摩擦導(dǎo)致局部溫度場變化）和轉(zhuǎn)子材料剛度的各向異性。3、最后是我們有“永久轉(zhuǎn)子彎曲”。產(chǎn)生永久轉(zhuǎn)子彎曲的原因是塑性變形。這是最嚴(yán)重，重心從中心線轉(zhuǎn)移。（九）、轉(zhuǎn)子裂紋：1、作為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)（尤其是蒸汽輪機(jī)）失效機(jī)制的另一個嚴(yán)重現(xiàn)象是高周疲勞。有關(guān)其重要參數(shù)的不完整信息可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的災(zāi)難性故障。2、在高周疲勞中，影響裂紋擴(kuò)展的最重要因素之一是高溫。在大多數(shù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，主要包括蒸汽輪機(jī)，產(chǎn)生高循環(huán)疲勞的過12/18程很普遍，應(yīng)避免，以防止任何重大損失。3、由于裂紋，軸剛度會降低，這反過來又會導(dǎo)致共振轉(zhuǎn)移到較低的轉(zhuǎn)速。（十）、機(jī)殼相關(guān)：1、機(jī)殼溫度波動可通過多種方式引起汽輪機(jī)振動。殼體問題可能以多種不同的方式導(dǎo)致對中問題，主要與溫度波動引起的膨脹和收縮有關(guān)。2、由于與外殼的熱隔離不足和/或其他區(qū)域的絕緣薄弱，汽輪機(jī)汽缸可能出現(xiàn)溫度分層。3、熱絕緣損失可能是在接頭和管道與外殼之間的連接處（通常在渦輪機(jī)底部）絕緣不良造成的。例如，外殼底部絕緣不良會導(dǎo)致外殼頂部到底部的溫度梯度，從而導(dǎo)致外殼變形和彈性轉(zhuǎn)子彎曲。4、供應(yīng)商將確定可接受的外殼溫度梯度。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，13/18坡度不得超過60℃。新的高壓渦輪機(jī)對外殼熱梯度特別敏感。5、如果渦輪機(jī)軸未恢復(fù)到曲率極限要求內(nèi)，就從熱狀態(tài)啟動，則旋轉(zhuǎn)葉片和固定隔板可能會摩擦并損壞密封件和隔板壓蓋。6、隨著軸重量的增加，渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪汽缸的尺寸以及軸的熱慣性也隨之增加。7、其影響是，2次啟動間隔（以及盤車時間）需要更長的時間，以便在下次啟動之前消除轉(zhuǎn)子的任何彎曲。三、軸溫差下的彎曲量估算公式：1、圓柱彎曲可以通過了解其尺寸和結(jié)構(gòu)材料來估計(jì)。2、圓柱彎曲（mm）可通過以下表達(dá)式確定，其中：①、Δt是氣缸頂部和底部之間的溫差（C）；14/18②、L是圓柱體長度（mm）；③、D是殼體在其長度（m）上的平均外徑；④、α是線性熱膨脹系數(shù)，通常約為13.6mm/mm-℃，或任何其他一致的單位。3、允許的氣缸彎曲量由隔板和端部密封之間的最小公差決定。4、如果高壓缸尺寸為l=3620mm，D=1840mm，隔板壓蓋的最緊公差為0.6mm，則缸頂部與底部的允許溫差為50℃。四、殼體溫差下的彎曲量估算公式：1、還可以確定轉(zhuǎn)子熱彎曲對殼體的影響。當(dāng)殼體頂部比底部熱時，殼體會向下彎曲。2、如果溫度梯度從殼體頂部到底部以及沿著其長度是恒定的，則最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在殼體中部垂直方向和殼體支架之間水平方向。在這些條件下的彎曲或撓曲可以確定為，其中，L是支架之間的殼體長度（m），Z是從前殼體支架到感興趣位置的距離（m）。3、假設(shè)使用了殼體長度的中點(diǎn)，L/2可以代替Z來找到最大撓度。五、溫度梯度對殼體的影響：1、熱啟動期間，還必須考慮葉片和隔板的溫度梯度。2、在熱渦輪啟動中，如果蒸汽相對較冷，那么隔板和葉片金屬溫度將比轉(zhuǎn)子低。3、在這種情況下，隔板的直徑將比轉(zhuǎn)子直徑更快地增加，從而產(chǎn)生徑向松動并減小葉片和隔板間隙。15/184、使用典型的線性熱膨脹系數(shù)，對于轉(zhuǎn)子和隔板之間每100℃的溫差，500mm的隔板密封直徑將增加0.3mm。5、因此，如果轉(zhuǎn)子的曲率高于正常范圍，并且在熱啟動過程中未仔細(xì)進(jìn)行蒸汽流路調(diào)節(jié)，則可能會發(fā)生摩擦。6、使用這些公式和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的計(jì)算告訴我們，在汽輪機(jī)啟動期間，高壓缸頂部和底部之間的溫差不應(yīng)高于規(guī)定的正常極限。7、如果超過該溫差限制，前端壓蓋中的徑向距離將顯著減小，從而引起摩擦，隨后在控制級附近發(fā)生轉(zhuǎn)子彎曲。8、不要忘記螺栓、銷釘和其他殼體接頭。高壓渦輪機(jī)的外殼有厚壁，以及需要螺栓和銷釘?shù)拇笮退竭B接法蘭。9、在機(jī)組啟動或停機(jī)期間，有時渦輪負(fù)荷會快速變化，或機(jī)殼法蘭和壁面受熱不均勻。10、高壓和中壓外殼頂部和底部之間的溫差（通常為50C至70C）和法蘭銷（最大15C至25C）可能導(dǎo)致蒸汽通過外殼水平接頭泄漏。六、高壓缸殼體彎曲導(dǎo)致振動的常見原因：1、許多汽輪機(jī)修理公司的經(jīng)驗(yàn)表明，高壓缸殼體彎曲的原因是停機(jī)時熱汽輪機(jī)缸內(nèi)的蒸汽冷凝。2、蒸發(fā)冷凝液的高溫傳熱冷卻了氣缸的底部，而氣缸的頂部保持相對較熱。3、在大多數(shù)情況下，氣缸將向下彎曲，而外殼頂部將保持筆16/18直。七、安裝問題：1、當(dāng)定距螺栓和墊圈安裝不正確時，多缸渦輪機(jī)的低壓（LP）和中壓（IP）氣缸架中的間隙可能會很差。2、定距螺栓用于將低壓和中壓外殼框架固定到基礎(chǔ)上。八、冷凝器問題：1、在額定負(fù)荷運(yùn)行時，如果冷凝器壓力（真空）和冷凝水溫度在正常范圍內(nèi)，則間隙應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。2、如果冷凝器壓力（真空）異常且冷凝水溫度高，則低壓缸會變得比允許的極限更熱，從而導(dǎo)致冷凝器中的體積膨脹。結(jié)果是距離螺栓間隙減小或變?yōu)榱恪?/p>