大型机组动静碰磨的振动特征及现场应急处理方法

1、大型机组动静碰磨的振动特征及现场应急处理方法陆颂元（东南大学振动控制与信息系统研究所江苏南京）摘要：动静部件碰磨是当前大型机组现场常见重要故障。本文结合近年三台机组在启机和工作转速发生的典型动静碰磨，介绍了故障简况、振动特征、分析判断过程和现场应急处理方法，这些可以为碰磨故障的准确分析、诊断和认定、以及现场采取的紧急处理措施提供参考。关键词：动静碰磨振动特征分析诊断方法应急处理措施中图分类号：文献识别码：文章编号：0 前言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。随着大型机组对效率要求的不断提高，动静间隙变小，碰摩可能性增加。当前，国内机组碰磨故障的发生率仅次于质量不平衡，成为大机

2、组的第二大类振动故障。每年全国都会有数台大型机组发生动静碰摩。在处理过程中往往要走弯路，或疑为质量不平衡，或疑为支撑刚度不足或其它故障，需要进行多次开机，平衡加重或支撑加固，为此延误数周已是常事。最终开缸检查，方发现汽封或通流部分已严重摩擦，这样的实例已有多起。碰摩诊断与认定错误导致的直接经济损失往往是十分可观的。碰摩使转子产生非常复杂的振动，轻者使得机组出现强烈振动，严重的可以造成转轴永久性弯曲，甚至整个轴系毁坏。因此，碰摩的准确分析诊断无疑会有效地提高机组运行的安全性和经济性，防止重大事故发生。国内外从理论上和实验室对转子碰磨已做过相当多的研究，其结果可以作为诊断的参考依据。但是，这些研究

3、结论和现场实际情况还有距离，因为碰磨现象十分复杂，不同部位、不同程度的碰磨具有不同的振动特征，这些特征又对应着许多其它故障。有相当一部分现场案例说明，碰磨的诊断比质量不平衡要来得困难，这也是为什么至今现场对碰摩诊断还没有一个行之有效方法的原因所在。本文根据作者近年处理的几台大型机组在升速过程和工作转速发生动静碰磨的振动数据，给出故障的特征、分析判断方法，进而给出不揭缸从运行上采取的应急处理措施，使故障在尽短时间内消除。电厂机组带负荷过程碰磨振动D 电厂#1机组是引进的350MW 亚临界机组，轴系结构如图1。 瓦瓦瓦瓦瓦瓦瓦图电厂机组轴系简图1.1 故障发生概况和振动特征电厂机年月底完成投产后的

4、第一次检查性大修，初始开机两次进行高速动平衡，降低了瓦和瓦振动。两天后的月日开机准备并网带负荷，升速时各瓦振动正常，升负荷至，发现低压缸、瓦轴振上升，最大分别达到和，远超过振动，并保持继续上升趋势，于是立即打闸停机。为查找原因，机组没做任何处理，月日时再次冲转，定速振动正常。时并网，瓦振幅由的微米增加到微米，相位由°增加到°；：，振幅微米。、瓦轴振变化如表所示。表带负荷过程、瓦轴振（，微米，峰峰值相位，度）：并网：打闸其中，：X 方向相对轴振、Y ：Y 方向相对轴振、Ya ：Y 方向绝对轴振 图2是并网到37MW 然后减负荷过程，测点3Ya 、4 Ya一倍频振幅/相位时间趋

5、势曲线。图中振幅、相位在19:26有明显的拐点，自该点起，振幅增加，相位增大，直至19:45开始减负荷，振幅、相位开始逐渐恢复。同时发现，低压缸外缸两侧温差约2530。#3、#4轴承汽封处没有听到碰磨声。1.2 分析和处理过程综合分析振动、运行数据和各种现象表明，低压缸内发生动静碰磨的可能性大，碰磨的原因估计是低压缸左右温差造成缸体发生变形，使得通流部分原本已比较小的径向间隙消失，低压转子与静止部分碰磨，转子发生暂时性热弯曲，振动增大。进入低压缸内外缸空间检查，发现内缸部分手孔盖垫片（两侧共约18个）有泄漏，进行了第一次处理。5月8日再次开机。先带低负荷（45MW ），后解列做超速试验，振动正

6、常。然后并网升负荷，9:45加到130MW ，此前振动基本正常。然后负荷略有降低，持续到10:06，#3、#4瓦轴振开始增加，同时#1、#2瓦轴振也增大。10分钟后，#3、#4瓦轴振增大到110130微米，且继续增大，于是打闸停机。图3为本次升负荷过程#3、#4瓦轴振随时间变化曲线。图3显示振幅开始增大的时刻为10:06，但相位开始增加的时刻为9:46，两者相差20分钟。9:46正是负荷刚加到130MW 。图4为测点3Xr （右）和3Ya （左）间隙电压的变化。曲线表明，升负荷过程3Xr 间隙电压一直在减小，同时3Ya 的间隙电压却没有变化，这意味着#3轴颈向3Xr 探头靠近，轴颈相对于缸体在

7、右斜45°方向发生移动。不论造成这种位移的具体原因如何，由此可以确 图2 升负荷过程测点3Ya 、4Ya 一倍频振幅/相位时间趋势图3 升负荷过程测点3Ya 、4 Ya一倍频振幅/相位时间趋势定动静碰磨的径向方位，如果开缸，可以断定在上缸右侧应该发现磨痕。电压（伏）图4 测点3Ya 、3Xr 在碰磨过程中间隙电压的变化频谱分析，碰磨时各测点振动信号中的高阶和低频成分没有明显变化；轨迹分析表明，#3、#4轴心轨迹始终保持正向涡动，整个开机期间没有出现反向轨迹。本次加负荷过程，对低压缸外缸两侧温度测试，仍存在约1520的温差。这次启机振动增大的负荷点已从第一次的37MW 提高到了130M

8、W ，说明对低缸内碰磨的判断是正确的，决定继续按这个方向进行处理。于是再次进入低压外缸，完全封死内缸手孔，这是当时不揭缸从外部消除通流动静碰磨的最经济的方法。5月9日14时再次开机。14:54并网，五个小时后达到满负荷，从100MW 到170MW 区段持续了一个半小时，其间重点监视测点3Xr 的相位，发现相位有增大的迹象，立即停止加负荷，以此使缸内碰磨点相互磨损脱离接触，而同时又不造成振动急剧增大。电厂机组升速和定转速的碰磨振动L 电厂#4机组同样是引进的350MW 机组，轴系结构与D 电厂#1机组相同。2.1 故障概况和振动特征机年月日大修后开机。第一次冷态启机，过高压转子临界转速时振动微米

9、，略偏大（图）。图第一次启机测点（左）和（右）升降速波特图阀切换在定速约分钟，其间瓦、 瓦振动明显增加。定速时，高压缸两轴承测点、振幅分别为微米和微米。其后做汽门严密性试验，并网，带低负荷，其间、振幅曾最小减到微米和微米，但在低负荷小时后，又缓慢增加，相位发生大的变化（图，表），瓦振幅从微米增加到微米，相位从°增加到°（图），瓦轴振振幅增加了微米，相位减小了°；低压转子两测点振动均减小，相位减小。表定速和带负荷过程、瓦轴振（，微米，峰峰值相位，度）时间工况月日：并网月日：图6 带负荷过程测点1Ya 时间趋势图解列后，瓦振动持续上升。：开始做超速试验。最高转速到，振

10、动微米（图）。惰走过程，时振动微米，振动微米，（图）。图超速试验升降速一倍频振动波特图图惰走过程一倍频振动波特图：机组全停，投盘车正常，但发现瓦前轴颈径向跳动达到丝，远高于初始值。2.2 原因分析和处理此次开机的振动记录显示了以下现象：1） #1、#2瓦轴振大，且#1瓦大于#2瓦；无论是3000r/min、带负荷和临界转速，#1瓦轴振均过高。这些工况下高振动的主频是一倍频，另有少量的2倍频分量。2） 不同的升降速过程，高压转子临界转速值相差不大，但振动振幅与相位相差很大。3） 2900r/min、3000r/min定速和带负荷时，#1瓦轴振振幅、相位均呈增大趋势，#2、#3、#4瓦同时也在稳定

11、地变化，变化量值较#1瓦小，规律性没有#1瓦明显。这种以工频为主的大振动，绝大多数情况是由于质量不平衡引起的。质量不平衡的来源主要有三个方面：（1）原始质量不平衡、（2）转动过程中部件飞脱或松动、（3）转子热弯曲。原始质量不平衡造成的一倍频振动应该是稳定的，这里可以排除；该机振幅是连续地逐渐上升而不是突然增加，第二种可能性也排除。考虑到振幅、相位连续缓慢的变化，且振幅变化最大的测点相位是在增加，根据它们变化速率分析，#1瓦振动是转子热弯曲引起的。机组转子热弯曲的原因很多，如转子自身热应力，运行中汽缸进水、进冷空气以及动静碰摩、中心孔进油、发电机转子冷却不均匀等等。综合各个方面的情况，主要基于#

12、1机刚完成大修，判断引起机组振动的原因是动静碰摩，同时排除汽缸进水和进冷空气等可能。 进一步分析得到下列结论：碰磨部位发生在高压转子，且偏向#1瓦；降速过程临界转速的大振动说明高压转子已经发生暂时性热弯曲；同时，这次降速的大振动有可能已经使碰磨接触点材料部分磨损。决定盘车数小时直轴，然后再次冲转。盘车四小时后，#1瓦径向跳动值恢复。11:32冲转，升速过程#1、#2瓦轴振临界转速振动仍偏高，但小于上次降速。3000r/min定速的振动同样有所降低（表3）。这说明高压转子的暂时性热弯曲还没有完全恢复；碰磨虽减轻，但仍存在。表定速、瓦轴振（，微米，峰峰值相位，度）月日：月日：根据分析，决定机组按常

13、规提升负荷。升负荷过程，#1、#2瓦轴振逐渐减小（表4），机组振动渐趋于正常。表定速和带负荷过程、瓦轴振（，微米，峰峰值相位，度）时间工况月日：电厂机组升速过程碰磨振动Y 电厂#2机组是引进的600MW 机组，汽轮机由高压缸、中压缸、低压I 、低压II 四缸组成，各转子段均为两轴承支承。机年月日大修后开机。：冲转后，在左右低转速下发现低压的、瓦轴振原始晃度偏大（图），其余各瓦测点原始晃度均小于微米。检查、瓦，有轻微摩擦声，停机调整了端部汽封。3:40再次冲转。400r/min时#5、#6瓦晃度仍然偏高。现场商定按计划升速，加强 #5、#6瓦振动监测。升速过程，、瓦振动没有显著增大，最大为的微米

14、，转速继续提升振动下降。但之后#1、#2瓦振动开始增加（图10）。随转速上升，振动急剧增大。鉴于该机组大修前临界转速振动正常，本次大修高压转子部件没任何变动，同时考虑有到1600r/min之前#1、#2瓦振动正常，该图9 400r/min测点#6瓦轴振原始晃度 振动原因粗略判断为高缸内动静碰磨，振动保护跳机设置为同一轴承处两个轴振测点振幅同时大于320微米，决定继续升速。当时#1瓦1Ya 振幅约大于1Xr 测点50微米。转速继续增加，1830r/min，#2瓦轴振2Ya 达到最大值：200微米，1930r/min，#1瓦轴振1Ya 达到最大值：284微米。峰值过后振幅迅速减小，图 10 测点

15、1Ya(左 ,2Ya(右升速一倍频振动波特 2300r/min 定速开始暖机.图 10 和图 11 清楚地表明,暖机期间,#1,#2 瓦振动逐渐减小. 不到 20 分钟,两个瓦一倍频振幅从 60 微米减小到近似为零,同时相位也发生了变化. 图 11 2300r/min 暖机期间测点 1Ya(左和 2Ya(右一倍频振动趋势图 暖机半小时后的升速过程一切正常. 这是一个升速过程临界转速之前发生动静碰磨的典型实例,处理方法是在对情况和故障 准确分析判断后,果断采取继续升速"冲临界"的方法,一旦临界转速过去,在其后的一定 工况下,热弯曲的转子可以较快地自行恢复. 一般情况,以后的升

16、降速不会再出现临界转速振动过大,因为这种碰磨往往是由于冷态 启机,缸温较低,缸体没有膨胀开发生变形造成的.第一次开机升到 3000r/min,机组温度上 升,缸体卡涩处滑动,动静接触部位自然脱离,碰磨消失. 但这里可能有两种例外,一种是第一次的冷态启机过临界转速时两个测点振动同时超过 跳机设定值,危急保安器动作,无法升速过临界转速.处理方法通常将机组打闸至盘车状态, 碰磨消失或减轻后再升速;另一种可能是虽然第一次的冷态启机通过临界转速,但其后的升 降速临界转速振动仍然大.不开缸处理最经济的方法是让机组满负荷运行一段时间,包括数 次启停机后,碰磨可以在一段时间后逐渐自然消失. 4 碰磨振动信号主

17、要特征以及诊断方法 机组动静碰磨的现场诊断有一定难度难度.如果认定发生了碰磨,有时需要开缸处理, 工作量较大,因此,要求碰磨的诊断应该有高准确性. 现有的诊断主要还是根据振幅,相位,频谱和轴心轨迹特征进行判断.利用详细记录的 升降速波特图,极坐标图和级联图进行比较是最基本的,十分有效的手段.在有条件的情况 下做出全频谱级联图,对诊断更有帮助. 根据作者经验,单纯地用瓦振信号判断碰磨,频谱较复杂,易于混淆.转轴信号可以提 供更准确的碰磨信息.因此,现场诊断应该尽量利用涡流传感器.事先没有安装涡流传感器 的机组,当怀疑发生碰磨后,应尽早加装,以利以后的测试和诊断. 6 碰磨的确定,在依据振动信号特

18、征的同时,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取"听诊"的方法,对碰磨的确定有时也是 有用的.分析中把这些信息结合起来,可以提高诊断的准确性.但要注意,对于高中压缸和 双层结构的低压缸,通流部分的碰磨声难于准确传出,只有轴端汽封的碰磨比较容易听到. 不能片面地将某一种方法的结论作为认定的决定性判据. 近年有不少人在进行利用小波诊断碰磨的研究, 这是一项很有意义的探索. 但迄今为止, 还没有出现一种比较准确成熟的现场实用方法,大多数研究结果仅限于理论和试验台,距真 实碰磨信号的诊断还有相当的距离. 根据作者对大型机组碰磨实际诊断处

19、理的经验,现场对碰磨诊断的关键判据主要有如下 几条: (1 固定转速下,振幅随时间逐渐增大或逐渐减小,变化的分量是一倍频成分;相位可 在 能也同时逐渐增加,也可能基本不变; (2 幅,相位出现变化的时刻应该滞后于运行工况的变化; 振 (3 严重碰磨不会出现倍频分量增大的现象,无法从频谱图上获得决定性判据;严重碰 非 磨在低频和倍频分量都应该有较明显的反映; (4 静碰磨可以发生的工况:定速暖机(包括临界转速前后,升速过程,带负荷过程; 动 变转速下不易判断,主要依靠定转速下振幅,相位的变化来判断; (5 磨的认定应该在排除了转子材料热弯曲,中心孔进油,转子冷却不均匀这几种故障 碰 之后; (6

20、 于大型汽轮机转子,在定速或带负荷状况下,碰磨造成的反向涡动轨迹不易观察到, 对 因而它不是主要判据. 5 碰磨的现场应急处理措施和方法 对于发生动静碰磨的机组,采取的处理方法根据碰磨故障严重程度和生产,工期情况而 定.按工作量多少排列,现场应急处理方法有下列五种: (1 高升速率升速.如果碰磨发生在某一低转速点或临界转速之前,现场对碰磨判断的 提 准确性把握大,且仅是个别瓦振动大,大多数瓦振正常;整个机组不存在其他振动问 题,现场可以采取提高升速率冲过这一转速区,直接升到高转速或 3000r/min 的方法. 如上述例 3 即采用的是这种方法; (2 据振动调整运行参数(膨胀,差胀,负荷,缸

21、温等,使机组通过发生碰磨的工况 根 区; (3 时间暖机.将机组打闸至盘车状态,或保持在某一转速,数小时甚至数十小时,使 长 碰磨部位自行磨损; (4 据对产生碰磨原因的分析,从外部消除缺陷根源,如上述例 1 消除内缸漏气; 根 (5 果碰磨部位发生在轴端汽封,对于汽缸端部汽封套,汽封环可拆卸的机组从外部调 如 整即可;对于个别大型机组,如果事前能够准确判断碰磨的径向方位,调整轴承标高 或对轮左右偏差,张口也是一种工作量较小的措施,但需兼顾常规检修规范,注意影 响运行的相关因素,如瓦温,通流间隙等. 无论现场采取那一种处理方法,都需要对情况的全面分析,对故障的准确判断,当机立 断.尤其如果采取

22、第一种,必须防止过大的振动造成大轴弯曲.严重的碰磨,必须揭缸消除 碰磨接触部位. 6 结论 (1机组动静碰磨的诊断主要依据振幅,相位,频谱和轴心轨迹特征,同时需要结合机组安 7 装或大修情况.充分利用振动量,并掌握故障发生时它们变化的规律和程度,注意和几种类 似故障的区别,碰磨的准确认定是可以做到的. (2 磨的现场应急处理措施有:提高升速率升速(在故障判断准确的前提下且个别瓦振 碰 动大,调整运行参数,长时间暖机或停机从外部处理.具体选择何种方法,要求对情况的 准确分析和判断.处理中有效地利用 TSI 监测数据,可以将事故风险减到最小,以最经济, 最快捷的方式消除故障. 参考文献: 1 陆颂

23、元,汽轮机转子径向碰摩的频谱特征及诊断,热力发电,1987,1 2 陆颂元, 汽轮发电机组振动 中国电力出版社 2000 3 A.J.Smalley. The Dynamic Response of Rotors to Rubs During Startup. Translations of the ASME. Journal of Vibration, Trees and Reliability in Design. 4 Muszynska A. Partial Lateral Rotor to Stator Rubs, Proceedings of Third International Conference on Vibration in Rotating Machinery. UK. 1984 作者简介:陆颂元(1946 ,男,上海人,教授,博士生导师,从事汽轮发电机组振动测试分析,状态监测, 故障诊断,现场动平衡,状态检修等理论及应用技