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1、第五章振动事故原因分析第五章振动事故原因分析 当机组振动值超过一定限度后，在短时间或经一段时间运行后，对机组部件将形成损伤或损坏，严重时形成事故。为了防止事故再次发生，必须查明事故原因，找出对策，这是编写本章的主要目的；另外，从这些事故调查分析中，可以看到过大振动对机组造成的直接危害，以此引起运行，维修及有关人员对机组振动的进一步关注。第一节概述第一节概述 第二章在讨论振动故障，机理和诊断步骤之前，首先讨论了振动故障诊断思路和方法。振动事故分析思路和方法与振动故障诊断基本相同，也必须通过事故现象，过程，特征的分析，才能对事故原因作出判断。在比较分析过程中采取的主要手段是演绎推理，使用方法详见第
2、四章第一节。在事故原因分析中查明事故机理是十分重要的，只有这样才能获得确切的事故原因，制定合理有效的防治对策。但是，振动事故分析毕竟与振动故障诊断不同，其主要差别有：1.对象有所不同。振动故障诊断开始时，对象很明确，就是机组振动，但振动事故分析开始时并不能肯定振动就是事故唯一的原因，因此排除非振动事故，也是振动事故原因分析的一项重要内容。2.振动故障可以多次再现，但振动事故一般不能或不容许再现，从而获得事故过程，现象，特征，只能从有关人员口述，记录，事故后留下的损坏部件，碎片中去分析，寻找，其难度和对分析人员的专业知识，经验的依赖性，要比振动故障诊断大得多。鉴于上述的事故分析思路，本章介绍的振
3、动事故分析与一般事故分析不同，它不是振动，事故现象和可能原因的罗列，归纳，推测，得到的仅仅是可能原因。本章所述的振动事故分析，是在振动故障诊断知识和经验基础上，具体介绍如何从事故损坏部件，碎片和有关纪录中寻找证据，提炼成特征，结合事故前机组运行状况，机组结构，经归纳整理，将现象和特征串起来，采用演绎推理手段，查明事故机理，从根本上认识事故起因和主导原因，找出合理有效的防治对策。因此简单地说，振动事故分析是寻找证据，提炼成特征，应用专业知识和经验，让不能再现的事情用文字描述下来，以便找出薄弱环节，制定防治对策。所谓事故起因，是指事故的诱发因素，而主导原因才是造成事故损坏或破坏的直接原因。例如某起
4、轴系破坏事故，因甩负荷，段抽汽逆止门卡涩超速至 4800r/min,引起发电机转子外伸端滑环碎裂飞脱，造成轴系破坏。这起事故的起因是超速，事故主导原因是滑环碎裂引起大不平衡。根据国内外有关资料介绍和国内 40 年来电厂运行经验总结归纳，在汽轮发电机组上因振动过大形成的事故有，转轴径向碰磨引起弯轴和轴封严重磨损，轴系破坏毁机，轴瓦乌金碾压和碎裂，轴瓦紧力消失，转动部件不均匀磨损，动静件疲劳损坏，危急保安器及保护仪表误动作等事故，本章具体讨论这些事故起因，主导原因，机理和防治对策第二节第二节 转轴碰磨引起的弯轴事故转轴碰磨引起的弯轴事故 据 1989 年国内大机组弯轴事故统计表明，其中 86%是由
5、转轴径向碰磨引起，因此分析，研究转轴碰磨引起的弯轴事故，对于防止电厂重大恶性事故，有着重要的意义。本书第二章第九，十两节，对机组启停过程中和工作转速下转轴碰磨振动特征，诊断作了详细介绍，本节讨论的是转子已经发生了永久弯曲，如何分析弯轴事故起因，主导原因，弯轴形成机理及其防治。5.2.15.2.1 现场发生的弯轴事故概况现场发生的弯轴事故概况 转子碰磨从方向分，可分为轴向和径向；如从发生部位分，可分为转轴，叶轮，叶片，围带等处与相对应部件碰磨，引起弯轴事故的碰磨只有转轴径向碰磨一种。由于轴封径向间隙是机组动静间隙最小处，尤其是高压汽轮机，因此机组运行中转轴径向碰磨经常发生，这种碰磨稍有疏忽，直接
6、导致轴封严重磨损和弯轴事故。第二章第九节已经指出，碰磨引起弯轴，其碰磨必须进入晚期。转子碰磨进入晚期首先要经过早期和中期，从直观分析，运行人员应有较充分的时间进行纠正性操作。正是由于这一原因，对弯轴事故调查时，有关人员普遍反映当时机组振动不大。现场检测到的振动结果表明，某些新机或大修后启动，轴封间隙调整不当或上下缸温差过大，转轴碰磨早期阶段很不明显，尤其是当转速接近转子一阶临界转速时，转轴碰磨由早期很快进入中期和晚期。从实测结果来看，转轴碰磨进入中期时，轴瓦和轴振增长速率分别高达 60-80um/min,150-200um/min,碰磨进入晚期振动增长速率将几倍于中期碰磨增长率，所以当转轴碰磨
7、严重时，从振动开始增大，到碰磨进入晚期，弯轴事故形成，前后不过 2-3min 或更短。所以一旦发现振动异常，除非机组装有跳闸保护，否则运行人员尚无作出判断，机组振动已经失控，弯轴事故在所难免。不仅如此，即使对于装有跳闸保护的机组，当跳闸值设置不当，或升速率过高，也难免弯轴事故的发生。因此转轴碰磨引起的弯轴事故防治，较其他事故防治要困难的多。从事故后叶片围带和气缸上阻汽片间隙及围带上留下的磨痕深度测算，一般弯轴事故转子中部振动和弯曲值（双幅）将超过 6-8mm，轴承振幅将超过 600um；对于某些严重的弯曲事故，动静部件会产生更大的磨损，而且还会造成气缸法兰螺栓振松和咬扣或滑扣。5.2.25.2
8、.2 转轴碰磨引起的弯轴事故机理及特征转轴碰磨引起的弯轴事故机理及特征 转轴碰磨进入晚期后会形成弯轴事故，是由于晚期碰磨振动增长速率比中期更高。在一定转速下，振动增长率直接反映了转子热弯曲增长率，即反映了转轴径向，轴向温度梯度（热应力值）。当弯曲高点处热应力（挤压）超过材料屈服限时，晶体产生塑性变形，所以当转子冷却至常温后，原来弯曲高点变成了弯曲的凹点。基于这种弯曲机理，转轴碰磨引起弯轴主要特征，有以下三点： 1.在永久弯曲凹点方向留下碰磨重点庄轴径向碰磨时重点处温度高于另一端，当转子转速在一阶临界转速以下或附近时，转子热弯曲高点又是碰磨重点，因此使转轴越磨越弯，所以在热弯曲高点上留下十分显著
9、的磨痕重点。当碰磨严重时，在叶顶，围带上在这一方向也会留下明显磨痕和沟槽，以至这一方向上铆接围带被汽缸上阻汽片切断而飞脱。 当转轴热弯曲高点处引起挤压应力过大，超过材料屈服极限时，便产生塑性变形；转子冷却至常温时，原弯曲高点出纤组变短而成为凹点。 2.转子弯曲成折线 图 5-1 是一台国产 125MW 机组汽轮机高中压转子转轴碰磨后引起弯轴典型曲线。由图可见，转子只是局部产生了永久弯曲，因此从弯曲形状看像是折线。这是由于转轴碰磨在大多数情况下，转子只是在轴向长度不大的一段上碰磨进入了晚期，其他轴段上虽也发生了碰磨，但因转子结构，径向间隙不同，碰磨仍处在早期或中期，因此转轴塑性变形只发生在轴向不
10、长的一段，所以弯曲成折线。 该轴段碰磨较早的进入晚期，主要由当时转速，即转子挠曲形状，轴封间隙值，汽封块退让量及弹性力所决定。所以对某一种形式汽轮机转子来说，在绝大多数情况下碰磨引起的弯轴总是发生在同一轴段上。 3.退火后转子弯曲值明显减小 由转轴碰磨引起弯轴机理可知，转子弯曲凹点的形成是由于该方向材料在热状态下产生过大的挤压应力所致。当转子冷却后，过大挤压应力处又产生了拉应力，这种应力与转子永久弯曲方向一致，故使转子永久弯曲值增大。所以直轴之前对该轴段退火内应力消除后，永久弯曲值会减少。一般碰磨引起的弯曲，退火后永久弯曲值将减少 20%-30%，如图 5-1 所示。 5.2.35.2.3 转
11、子永久弯曲的确认转子永久弯曲的确认 运行机组因转轴碰磨或其他原因，转子已经发生了永久弯曲，目前现场大多数采用多次启动的办法，企图冲过去。实在无法冲过去，便揭缸寻找大振动的原因，有时发现转子已经发生永久弯曲，有时对机组造成更大的损坏。下面介绍再不揭缸的情况下，确认转子永久弯曲与否及弯曲值的方法。 转子永久弯曲的最明显特征，一是大轴晃摆值经 4h 连续盘车不能复员；二是临界转速下振动较前显著增大，当大轴弯曲指示器原始晃摆值大于 60um 和转子永久弯曲小于 0.30mm 时，第一个特征往往不明显，因此需要通过第二个特征来确认转子永久弯曲。 5.2.3.1 临界转速下振动增大的故障原因 转子临界转速
12、下振动增大，不一定就是转子永久弯曲所致，因为临界转速下振动值只反映了转子一阶不平衡量。引起运行机组转子一阶不平衡变化原因有：连续盘车时间不够，转子残留热弯曲，转轴与水接触，转轴径向碰磨，转动部件损坏飞脱，转子永久弯曲等。前三个故障引起的是不稳定不平衡，后两个故障引起的是稳定不平衡。通过下列工作再排除转动部件损坏飞脱。5.2.3.2 测量转子外露处晃摆值 选取距轴瓦较远光滑的外露轴段，一般选在 1.2 瓦汽封挡圈处，也可选在 1 瓦外伸端，将径向分成 8 等分，转子经 2h 以上盘车之后，使用百分表测量每等分处晃摆值，求出 180 度晃摆值差。转子无明显弯曲时，其差值小于 30um。由此表明，临
13、界转速下振动增大，在排除不稳定不平衡故障情况下，它只能由转动部件损坏飞脱。 若晃摆值明显大于 30um，说明转子已经产生了永久弯曲，转子最大弯曲值 max 由下式估算：max =L/L*A/2 式中 L-转子最大弯曲值距轴瓦中心距离，由同型机组弯轴普遍规律确定； L-外露轴晃摆值测点距轴瓦中心距离； A- 外露轴晃摆最大差值。 max 精度是随外露轴测点处原始晃摆值减少和 L 增大而增高。因此选取外露轴应距轴瓦愈远和原始晃摆值愈小愈好。 5.2.3.3 依据临界转速下振动变化值估算转子弯曲 由事故前后临界转速下振幅变化，依据下式求出转子一阶不平衡重径积 W*r 的变化。 W*r=A/ 式中 -
14、一阶临界转速下影响系数，um/(kg.m)； A-事故前后临界转速下振动矢量差，在未测振动相位时，近似取算数差，因为永久弯曲产生的不平衡与原始不平衡反相。 由转子平衡中取得。若无此数据，对于 100-300MW 汽轮机高压转子，近似取 1=100-150um/(kg.m),根据转子重量，临界转速高低，支撑刚度，选其上限，下限或中间值。 由转子重量 G 和重径积 W*r，可求出转子偏心距 e 的变化。 e= W*r/G 偏心距 e 沿转子长度分布构成一阶不平衡分量的连线，近似为三角形，则转子最大弯曲max3e。这里应指出，转子永久弯曲若是由碰磨引起，则在引起弯轴的同时转动部件损坏飞脱也可能发生，
15、而且飞脱部件方向正好是转子弯曲凹点，使转子一阶不平衡进一步增大。 5.2.45.2.4 弯轴事故分析方法弯轴事故分析方法 近十几年来大机组弯轴事故频繁发生，从事故调查过程和结果来看，要获得明确的事故起因和弯轴的主导原因难度较大。下面针对目前弯轴事故调查中存在的问题和事故分析思路，做简要的分析讨论。5.2.4.1 采用正向推理，首先排除非转轴碰磨引起的弯轴事故 采用正向推理的前提是事故原因范围必须明确。引起汽轮机弯轴的原因除转轴碰磨外，还有下列原因。为了正确和可靠的排除这些非转轴碰磨引起的弯轴，下面具体讨论这些故障引起弯轴的机理，特征。 1.高温转子被水浸泡 机组带负荷后停机，因凝汽器补给水或过
16、热器减温水门未关，引起凝汽器汽侧满水进入气缸，使下汽缸温度急剧降低，轴封间隙消失，盘车跳闸，运行人员未能及时发现，致使汽缸中分面以下的转子被水浸泡而遭到骤然冷却，产生过大的收应力，引起塑性变形造成永久弯曲。这一过程往往被隐瞒，直至下次启动临界转速下振动过大无法升速，才引起注意。这种故障引起弯轴的主要特征有： 1/转子弯曲曲线较为平滑 转轴下部遭到骤然冷却产生过大收缩应力，将发生在整个转子高温部分，所以在较大的轴段长度上存在弯曲，其弯曲曲线显得较平滑。2/转子弯曲高点处可能留下碰磨痕迹这是由于转子已经发生了永久弯曲，后来又经几次启动，因振动过大而发生转轴碰磨，从而在转轴弯曲高点留下碰磨痕迹。3/转子上存在明显的水迹因转子静止后被水浸泡，由于氧化，洗刷作用和水质不纯等原因，在水接触处和非接触处会留下明显的分界线。2.非同期合闸因严重的非同期合闸，引起轴系中某一个转子产生永久弯曲变形的事例，国内已发生过数起。在过大的扭应力冲击下，使转子产生横向弯曲变形的机理目前尚不清楚。这一故障引起转子弯曲一般发生在汽轮机和发电机转子连接处附近，或轴
