25MW汽轮发电机组轴承振动原因分析及故障处理研究

陈斌

摘要：由于锅炉的特性，较低的主进汽温度导致汽轮机低压段湿蒸汽扩大，运行在湿蒸汽区的汽轮机叶片级数较多，再者，垃圾焚烧锅炉产汽量变化幅度也较大，故选择低压段抗水蚀能力强，变工况能力强的中压凝汽式汽轮机。其工作原理和内部结构极其复杂，由于工况变化较大，难免存在一定的故障率，而且一旦发生故障，所产生的危害也是相当巨大的。所以，深入推进汽轮发电机组的故障诊断技术的研究是保持机组正常运行的重中之重。本文主要针对25MW汽轮发电机组轴承振动原因分析进行分析，首先在解析汽轮机组常见异常振动原因，然后结合实例分析25MW汽轮发电机组轴承振动原因和故障处理措施。

关键词：25MW汽轮发电机组;轴承振动;原因分析;故障处理

对于转动机械来说，机械振动是物体或质点在其平衡位置附近所作有规律的往复运动，只要是在运行状态，振动就必然存在，振动幅度不超过规定标准的属于正常振动。机组转动中振幅比原有水平增大，特别是增大到超过允许标准值时就是异常振动。任何一种异常振动都潜伏着设备损坏的危险。比如轴系质量失去平衡（掉叶片、大轴弯曲、轴系中心变化等）、动静磨擦、膨胀受阻、轴承磨损或轴承座松动，以及电磁力不平衡等等都会表现出振动增大，甚至强烈振动。必须加强对振动异常原因进行分析，并提出针对性措施。

1.汽轮机异常振动原因分析

汽轮机组异常振动是汽轮机常见故障中较为复杂的一种故障。由于机组的振动往往受多方面的影响，只要跟机本体有关的任何一个设备或介质都会是机组振動的原因，比如进汽参数、疏水、油温、油质、等等。因此，针对汽轮机异常震动原因的分析就显得尤为重要，只有查明原因才能对症维修。针对导致汽轮机异常振动的各个原因分析是维修汽轮机异常振动的关键。

2.汽轮机组常见异常震动的分析与排除

总的来说，由于技术的日趋完善和机组制作工艺相对成熟，且经过现场试运行检验合格才投入运营，一般而言，设备本身的发生缺陷率相对较小，主要原因可以概括为以下两大方面。

2.1 安装因素分析

（1） 转动部分平衡的不正确。

（2）汽轮机、发电机等对中不好。

（3）机组附属转动件，如调速器、主轴带动的油泵、危急保安器等部件平衡的不好，安装不良。

（4）受热的机件安装的不正确，在冷态安装时没有考虑它们热态工作时的自由热膨胀、热变形，使得机件在受热工作时不能自由膨胀而变得有些弯曲，破坏平衡。如各种轴在受热无处膨胀时，将被顶弯，失掉平衡，造成振动;机壳受热不能自由膨胀时，也会变形引起振动。

（5）某些机件配合尺寸不符合要求，如轴封片与轴颈配合间隙不对，配合过紧，则在受热时轴颈与密封片相摩擦，引起振动。

（6）轴承有缺陷，如轴瓦巴氏合金脱层、龟裂;轴承与轴瓦安装间隙不合适;瓦壳在轴承座中松动;轴承动态性能不好，发生半速涡动或油膜振荡等，造成振动。

（7）机组基础不符合要求或基础下沉，都会使机组发生振动。

2.2 运行因素

（1）汽轮机汽缸保温不良、在启动前预热的不充分或者不正确，因而造成蒸汽轮机在启动时转子处于弯曲状态。

（2）固定在汽轮机转子、联轴器、变速器齿轮轴上的某些转动零件松弛、变形或者位置移动，引起回转体的重心位置改变加剧振动，如叶轮和轴结合松动、某些部分变形等。一些有严格重量要求的回转零件，如联轴器个别螺栓更换而又未做平衡试验，也会破坏平衡，加剧振动。

（3）回转部件的原有平衡被破坏，如叶片飞脱，叶片或叶轮腐蚀严重，叶轮破损，轴封损坏，叶片结垢，个别零件脱落，发电机转子内冷水路局部堵塞，以及静止部分与转动部分发生摩擦等等。

（4）启动前预热不均匀，机壳产生变形，使机组内动静部件间隙不均匀，甚至产生摩擦，引起振动。

（5）蒸汽管路或气体管路对机组的作用力，使机组变形、移位;管路与机组联接不合要求等等也都造成振动。

（6）轴承润滑不够或不适当，油泵工作不稳定，或者油膜不稳定。

（7）新蒸汽等运行参数与要求值偏差太大。新蒸汽参数偏差过大而末及时调整，使汽轮机部件热膨胀及热应力变化剧烈;汽压、汽温过低未及时采取措施;排汽缸温度过高引起汽缸变形等等。

（8）机组运行转速离实际临界转速太近、机组某部件的固有振动频率等于或低倍于汽轮机运行频率，使部件或汽轮机发生共振。

（9）汽轮机内部转动部件与汽封偏心，产生蒸汽自激振荡引起振动。

（10） 发电机电磁力不平衡引起振动。

3.25MW汽轮发电机组轴承振动原因分析及故障处理实证分析

3.1 工程概况

某公司厂2#汽轮发电机4#轴承自投产以来振动值一直较1#汽轮发电机轴承大，从今年的5月开始，振动开始恶化变大，到8月1日时，集控室远程振动数值已接近跳机值（80um），已达到72.06um，且有继续恶化直至需要停机处理的趋势。现场手持振动仪测量垂直振动值为95um，水平为83um轴向为168um。振动明显过大，通过对基础台板及轴承底座的测量发现。#4轴承座基础台板右侧靠发电机处振动值达123um，离此处最近的轴承座地脚振动值为87um。

3.2 原因分析

（1）整理从现场测量的数据可以发现：#4轴承的振动值最大时（集控室远程振动监控）72.06um，而同为一个轴系的相邻#3轴承值只有20.1um。如轴系原因引起的振动，一条轴上的两个支撑点的振动值应该趋于一致或接近。自此，可以排除轴系（转子质量不平衡、轴系对中偏差大、动静机械部件磨擦、套装部件松动）的因素，可以锁定#4轴承是振动源，其振动值较大，引起同一轴系的#3轴承振动稍大。

（2）现场测量，同样的测量方向，台板垂直测量的最大振动值（123um）>该处的轴承座底部振动值（87um）。分析是基础发生了异常（此处所描述的基础包括了混泥土坚硬层，垫铁、二次灌浆层、台板）。作为振动源（转子旋转形成的机械振动能传导至轴承），振动传递路径必然通过刚性介质，即：从转子→轴瓦→轴瓦支撑体→轴承座→台板→二次灌浆层→垫铁→混凝土坚硬层，正常的振动值应该是逐步递减的一个过程。如果基础不牢，则振动值应该是从“转子→...→台板...→混凝土坚硬层”这个传递路径上各处分别逐步放大，且可能从混凝土坚硬层逆方向传递至转子和轴瓦，其过程复杂，可能存在振动频率上的一个对冲或自激振动作用，最终体现为该处轴承的振动值增大的现象。

（3）根据集控室监控结果分析，从2019年11月1日该处（#4轴承）的40um至2020年5月1日止的54um，振动值是非常缓慢逐渐上升的一个过程（升了14um，平均每月2.33um），之后振动值有加快的趋势，到8月1日止，短短3个月时间上升至72.06um（升了20.06um，平均每月6.69um）。

再考虑到混凝土坚硬层的特性（坚固、脆性大、整体性强），因其灌注时是整体汽机平台一次形成，且外观无明显裂纹，#4轴承振动虽然大，但是整体平稳，其余位置的振动在正常范围内，故可以排除混凝土基础层局部开裂或沉降的可能。

（4）排除混凝土基础层后，对基础中的垫铁和二次灌浆层进行分析，二次灌浆层的作用之一是固定垫铁（可调垫铁的活动部分不能浇固），另一作用是可以承受设备的部分负荷。二次灌浆和垫铁的作用不同，但都不可缺少，垫铁承受设备的竖向（垂直）荷载，而二次灌浆层却主要承受设备运行震动时的水平向荷载，对设备及垫铁起固定作用。结合之前停机检查发现的情况（二次浇注料未能紧密结合台板底部，存在较大的间隙）。是存在未按技术规范配置垫铁（较大跨度的台板，应在中间配置垫铁），且二次浇注料不符合安装工艺的情况，导致该台板缺乏支撑，刚度不够。

（5）汽轮发电机台板是碳钢材料，厚度为90mm。从金属的特性可知，其具有较好的韧性和塑性，有一定的伸长率，具有良好的焊接性能和热加工性。二厂#2汽轮发电机的#4轴承台板有90mm厚，当发电机转子作为主要载荷压在该台板时，理应通过垫铁和二次灌浆层将载荷传至坚实层基础。如上图所示，由于未在中间部分布置垫铁，加上二次灌浆层在灌注时漏浆导致未填满灌浆层。形成了台板与坚实层基础之间空包区域（长、宽均接近1600mm）。该段空包区域的台板完全靠自身的屈服强度承受着发电机转子的重量（转子重约9T/2=4.5T，加上轴承支撑件总重约合为5T）。在刚投运时（2013年），其刚度足以支撑起该重量，振动值还在相对小的范围。但在长期的施压和机械振动的双层作用下，台板的钢材弹性变形有了进一步恶化，从力学上分析，是加速破坏了（台板支撑力和载荷之间）力的平衡，在初期的支撑力≧载荷，到2019年逐渐的变成支撑力<载荷，导致轴系的扬度和对中状况变化，加上台板钢板无足够的支撑形成的（微观上的）抖动，令#4轴承处振动一直持续相对的稳定的上升。经粗略计算，两者之间力的差距并不会太大（顶升台板恢复至原始状态--即2019年前状态，所需的力在200N以内即可）。按2019年用垫铁在台板下方轻轻调整，台板上架设的百分表显示提高了0.008mm的经验。给予后期采用在线处理提供了更多的选择余地。

考虑到二厂#2汽轮发电机除了#4轴承因台板刚度问题引起振动较大外，无其余问题。且目前二厂运行实际情况，如停#2汽机，则需停一台炉，对生产安全运行及经济效益有较大影响。研发部机务专业优先考虑进行在线处理振动大的隐患，对各种情况进行了反复推敲，主要是从安全和可行性方面考虑，一、台板是碳钢，不存在脆性较大的情况。二、如選择高强度顶丝进行支撑起台板，充分认识到，其顶升的力度应该设定在一个坚实层混凝土基础可承受的范围（该基础混凝土标号为C50，即压强，50MPa≤fcu，k<50MPa）。三、由于现场条件所限，无法在顶丝下方垫铁块以增加接触面积，与混凝土接触的面积（顶丝为φ16mm）虽然较小。但对基础无任何破坏可能。

3.3 故障处理

采用在线降低二厂#2汽机#4轴承振动的方案。采取台板上（最大振动点，就地实测123um）钻一通孔，进行攻螺牙，配一高强度螺栓拧（φ16mm）至汽机混凝土坚硬层，令汽机#4轴承台板通过高强度螺栓间接得到基础支撑的方法，有效阻止振动状况恶化，并有效改善振动值（分两段时间调整，第一阶段目标值是集控室远程的72.06um降至56um左右。运行一个月稳定后实施第二阶段，56um降至40um左右），以维持机组的安全运行。

通过实施该在线减震方案，#2汽轮发电机#4轴承振动值稳定控制在震动安全值内，且仍保有继续对震动值进行更彻底的减震调整的手段。实施该在线减震方案既保障了公司主要设备的连续稳定运行，又避免了一次非计划启停机、炉操作，为公司合理安排年度检修计划，以及为公司完成年度生产运营任务创造了条件。

结论

在处理实际发生的振动异常问题时，如何正确采用对运行状态的分析和振动的数值进行详细测量，并有效分析，快速的排除其余可能产生误判断的因素，快速、准确、直接找出问题根源至关紧要，一来可以节省时间，二来能彻底解决隐患。

参考文献

[1]李朋信.浅析汽轮发电机组励磁小轴振动分析与处理[J].中国设备工程，2021（21）：24-25.

[2]巩振泉，袁珍亮，曹伟，刘波，王博磊.异步汽轮发电机组不稳定振动故障的诊断与处理[J].电机技术，2021（05）：61-66.

[3]翁振宇.某汽轮发电机组轴系周期性振动波动的诊断与消除[J].汽轮机技术，2021，63（05）：382-384+338.