劉明利，張輝仁，萬新福，王 浩

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

0 引言

某核電廠汽輪發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，采用單軸、四缸、六排汽的反動凝汽式布局，汽輪機(jī)由1 個(gè)高壓缸、3 個(gè)低壓缸構(gòu)成。汽輪發(fā)電機(jī)組軸系有11 個(gè)支撐軸承，每一個(gè)軸承位置處布置3 個(gè)振動傳感器，2 個(gè)用來測量軸振，1 個(gè)用來測量瓦振，總計(jì)33個(gè)振動傳感器。汽輪發(fā)電機(jī)組軸系支撐系統(tǒng)及測點(diǎn)分布如圖1 所示。軸振報(bào)警值為170 μm，瓦振報(bào)警值為85 μm。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系支撐系統(tǒng)及測點(diǎn)分布圖

本文通過對汽輪機(jī)停機(jī)盤車過程中晃動幅值趨勢的分析，準(zhǔn)確判斷出轉(zhuǎn)子上存在的缺陷，并分析缺陷對振動信號的影響，給汽輪機(jī)的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

1 大軸盤車數(shù)據(jù)分析

1.1 晃動幅值分析

2023 年3 月19 日該廠1 號汽輪發(fā)電機(jī)組停運(yùn)進(jìn)行盤車，盤車轉(zhuǎn)速為1.4 r/min，發(fā)現(xiàn)4 號軸承4X、4Y的晃動幅值較大，最大幅值達(dá)22 μm，而其他10個(gè)軸承的晃動幅值在5 μm 左右。正常運(yùn)行到盤車期間3號和4號軸承的軸振曲線如圖2所示。

圖2 正常運(yùn)行到盤車期間3號和4號軸承的軸振曲線

由圖2 可見，在正常運(yùn)行期間4X 的軸振平均幅值為25 μm，在盤車期間4X 的晃動最大幅值可達(dá)22 μm；在正常運(yùn)行期間4Y的軸振平均幅值為15 μm，在盤車期間4Y的晃動最大幅值可達(dá)22 μm。也就是說，4X 在盤車期間的晃動最大幅值幾乎與正常運(yùn)行期間的軸振平均幅值一樣，4Y 在盤車期間的晃動最大幅值反而比正常運(yùn)行期間的軸振平均幅值大。

將正常運(yùn)行到盤車期間3 號、4 號軸承的軸振情況與5 號、6 號軸承進(jìn)行對比。正常運(yùn)行到盤車期間5 號和6 號軸承的軸振曲線如圖3 所示，盤車后5 號和6 號軸承的晃動最大幅值與正常運(yùn)行時(shí)的軸振平均幅值相比明顯降低。可見，盤車后4 號軸承的晃動情況明顯存在異常，需要進(jìn)一步分析原因。

圖3 正常運(yùn)行到盤車期間5號和6號軸承的軸振曲線

為進(jìn)一步分析在盤車期間4 號軸承的晃動情況，將4X 和4Y 晃動時(shí)域信號放大，對信號跳動情況進(jìn)行分析，如圖4和圖5所示。由圖4可見，4X從12：19：37到12：20：20兩次跳動時(shí)間差為43 s，從12：27：58到12：28：40兩次跳動時(shí)間差為42 s。由圖5可見，4Y 從12：30：55 到12：31：37 兩次跳動時(shí)間差為42 s，從12：35：06到12：35：48兩次跳動時(shí)間差為42 s。

圖4 4號軸承4X時(shí)域曲線

圖5 4號軸承4Y時(shí)域曲線

盤車轉(zhuǎn)速為1.4 r/min，即周期為42.86 s，與4X和4Y 的晃動信號跳動時(shí)間差幾乎相同。在排除信號采集系統(tǒng)故障后，懷疑在傳感器測量位置軸頸處存在表面不圓（凹坑、凸起）、彎曲等相關(guān)缺陷［1-2］。

1.2 傳感器信號對比分析

軸振傳感器4X和4Y在空間的布置如圖6所示，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。如果軸頸處表面存在缺陷，在盤車過程中缺陷部位經(jīng)過振動傳感器后，就會出現(xiàn)信號跳動現(xiàn)象［3］。

圖6 4號軸承傳感器布置示意圖

按照圖6 所示的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，缺陷部位經(jīng)過振動傳感器4X 和4Y 后，出現(xiàn)跳動信號。由于兩個(gè)振動傳感器在空間上相差90°，4X 和4Y 測得的跳動信號在時(shí)域中的時(shí)間差是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期的1/4，即42.86/4 s≈10.72 s。

4 號軸承4X 和4Y 時(shí)域曲線如圖7 所示。由圖7可見，13：22：53 4X 處出現(xiàn)跳動信號，13：23：04 4Y 處出現(xiàn)跳動信號，時(shí)間差為11 s，13：29：51 4X處出現(xiàn)跳動信號，13：30：01 4Y處出現(xiàn)跳動信號，時(shí)間差為10 s。兩處位置出現(xiàn)跳動信號的時(shí)間差與理論計(jì)算的時(shí)間差10.72 s基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了在軸頸處存在缺陷。

圖7 4號軸承4X和4Y時(shí)域曲線

1.3 解體檢查

為進(jìn)一步確定4 號軸承盤車期間晃動幅值偏大的原因，對4 號軸承位置處進(jìn)行檢查。打開軸承護(hù)罩，發(fā)現(xiàn)在軸頸處存在一明顯凹坑，如圖8 所示。凹坑尺寸約為5 mm×10 mm，凹坑周邊無毛刺、無高點(diǎn)，最深處的深度為1 mm。

圖8 汽輪機(jī)4號軸承處凹坑

2 凹坑對振動信號的影響分析

2.1 熱膨脹對轉(zhuǎn)子振動信號的影響

凹坑位于振動傳感器附近的轉(zhuǎn)子表面，凹坑與振動傳感器位置的遠(yuǎn)近會對振動幅值產(chǎn)生較大的影響［4］。在汽輪機(jī)從盤車到穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，熱膨脹會導(dǎo)致凹坑與傳感器的相對位置發(fā)生變化，因此要分析位置變化對振動信號的影響。4 號軸承凹坑和振動探頭的位置如圖9 所示，振動傳感器布置在靜止部件上，凹坑位于軸頸表面，且其邊緣距探頭邊緣約2 mm。

圖9 4號軸承凹坑和振動探頭的位置

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由6根大軸通過聯(lián)軸器組成，其中在1號和2號低壓缸之間設(shè)置軸系死點(diǎn)，如圖10所示。也就是說，在汽輪機(jī)從盤車到?jīng)_轉(zhuǎn)的過程中，隨著熱量的積累，大軸從4號、5號軸承分別向兩端膨脹，相對于4號軸承振動傳感器，凹坑將向左側(cè)偏移。在盤車期間，凹坑邊緣（右側(cè)）距探頭邊緣約2 mm，熱膨脹之后，轉(zhuǎn)子向左側(cè)移動，凹坑邊緣（右側(cè)）與探頭邊緣的距離將會大于2 mm，凹坑與振動傳感器的相對距離增大，這將減弱凹坑對振動信號的影響。

圖10 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系死點(diǎn)位置示意圖

2.2 轉(zhuǎn)子位置對振動信號的影響分析

在正常運(yùn)行期間，4X 的振動平均幅值為25 μm，4Y 的振動平均幅值為15 μm；在盤車期間，4X 和4Y的晃動最大幅值都為22 μm。凹坑的位置在轉(zhuǎn)子表面是固定的，但是轉(zhuǎn)子的位置會受盤車、沖轉(zhuǎn)、負(fù)荷等因素的影響而發(fā)生改變［5］。

在正常運(yùn)行期間，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由油膜提供轉(zhuǎn)子支撐力，轉(zhuǎn)子位置偏離中心位置，偏向旋轉(zhuǎn)方向，如圖11 所示，此時(shí)轉(zhuǎn)子的振動高點(diǎn)與4X、4Y 兩個(gè)傳感器的相對距離不同，4X、4Y 的振動幅值不同。在盤車期間，轉(zhuǎn)子靠頂軸油泵提供轉(zhuǎn)子支撐力，轉(zhuǎn)子處于中心底部位置，如圖12 所示，此時(shí)轉(zhuǎn)子與4X、4Y 兩個(gè)傳感器的相對距離相同，4X、4Y 的晃動幅值相同。

圖11 正常運(yùn)行期間汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子位置示意圖

圖12 盤車期間汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子位置示意圖

2.3 凹坑對正常運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子振動信號的影響

為確定凹坑對正常運(yùn)行期間振動信號的影響，分別調(diào)取正常運(yùn)行期間4 號軸承4X 和4Y 的振動信號時(shí)域波形圖，分別如圖13和圖14所示。

圖13 4號軸承4X振動信號時(shí)域波形圖

圖14 4號軸承4Y振動信號時(shí)域波形圖

圖13 中，左側(cè)為4 號軸承4X 振動傳感器的軸振峰峰值信號，振動幅值為24.5 μm；右側(cè)為凹坑產(chǎn)生的振動峰峰值信號，振動幅值為15.3 μm。根據(jù)振動測量原理，儀表的讀數(shù)為24.5 μm，盡管凹坑產(chǎn)生了振動跳躍信號，但是并沒有影響振動傳感器4X 真實(shí)的振動信號。

圖14 中，左側(cè)為4 號軸承振動傳感器4Y 的軸振峰峰值信號，振動幅值為15.6 μm；右側(cè)為凹坑產(chǎn)生的振動峰峰值信號，振動幅值為20.8 μm。根據(jù)振動測量原理，儀表的讀數(shù)為20.8 μm，而4 號軸承4Y 振動傳感器真實(shí)的振動幅值為15.6 μm，因此對4Y 振動傳感器而言，凹坑對其真實(shí)的振動信號產(chǎn)生了放大作用。可以對轉(zhuǎn)子缺陷部位進(jìn)行修復(fù)［6-9］，也可對4Y 振動信號進(jìn)行補(bǔ)償處理，以消除凹坑對真實(shí)振動信號的影響。

3 結(jié)語

本文對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子盤車期間晃動異常信號進(jìn)行分析，結(jié)合振動傳感器的空間布置，判斷出轉(zhuǎn)子表面存在缺陷。經(jīng)過解體檢查，驗(yàn)證了判斷的正確性。同時(shí)，從熱膨脹、轉(zhuǎn)子位置、運(yùn)行工況3 個(gè)方面分析了凹坑對振動信號的影響，為處理類似的異?，F(xiàn)象提供借鑒。