660MW超临界汽轮发电机组高中压转子弯曲及异常振动的分析与处理

菏泽4号机振动处理 660MW超临界汽轮发电机组 高中 高中语文新课程标准高中物理选修31全套教案高中英语研修观课报告高中物理学习方法和技巧高中数学说课稿范文 压转子弯曲及异常振动的分析与处理 田国成1，刘万政2，陈会平3，柳洪涛4 (1.山东中实易通集团公司， 济南 邮编：250002；2.华能日照发电厂，日照 邮编：276800；3.国电费县发电厂，费县 邮编：273400；4.华电宁夏灵武发电厂，灵武 邮编：751400) THE ANALYSIS AND TREATMENT OF THE BENDING AT HP/IP ROTOR OF 660MW SUPERCRITICAL TURBOGENERATOR UNIT TIAN Guo-cheng1, LIU Wan-zheng2, CHEN Hui-ping3, LIU Hong-tao4 (1,Shandong Zhongshiyitong Group Co.,LTD, Jinan 25000; 2. Huaneng Rizhao Power Plant, Rizhao 276800; 3. State Power Feixian Power Plant, Feixian 273400;4.Huadian Ningxia Lingwu Power Plant, Lingwu 751400) Abstract: In recent years, some 660MW supercritical turbogenerator units tripped frequently during their trial production for the reason of abnormal vibration of HP/IP rotor. For this reason, it analyzed the reason of abnormal vibration according to the operation and vibration characteristics, probed into the cause of the rotor’s permanent bending through analyzing the formation mechanism and eliminated craft of the residual stresses. The methods were fully confirmed by applying them to analyze and treat the fault of an unit in X power plant and the abnormal vibration was eliminated thoroughly. Key Words: supercritical turbogenerator unit, vibration, rotor’s bending, analysis and treatment 摘要: 近年来，多台660MW超临界机组在试生产阶段因高中压转子振动异常频繁发生跳机故障。为此，根据机组的振动与运行特征，确定了振动异常的主要原因是转子塑性弯曲；通过对残余应力形成机理及其消除工艺的分析，探讨了转子发生永久弯曲的原因并提出了处理措施。通过在X电厂某机组上的应用，上述分析与处理措施得到了全面验证，故障也被彻底排除。 关键词：超临界汽轮发电机组； 振动； 转子弯曲； 分析与处理 0 引言 超临界大型机组的设计、制造与运行水平已日趋成熟，发生转子弯曲的概率也非常小，但近年来某类660MW超临界汽轮机的高中压转子在几个不同的电厂相继发生了永久性弯曲，严重危及了机组安全，造成了巨大经济损失。 同类机组在不同电厂、同一转子的不同部位相继出现了永久性弯曲，是必然还是偶然？它与振动之间的存在什么样的因果关系？主要原因是什么？这是各设备相关方最为关心的迫切问题。分析不正确，就会导致故障处理的方向性错误，甚至会再次发生类似故障。因此，原因分析非常关键，其重要性与故障处理同等重要。此外，这对于机组改进设计或制造工艺、指导调试与运行也都十分必要。 该类机组高中压缸的典型结构见图1。高、中、低压转子间采用刚性联轴器连接，全部支持轴承为可倾瓦。高中压转子上设有3档平衡活塞，活塞处均采用布莱登汽封。 图1 高中压缸结构示意图 Fig.1 The schematic plot of HP/IP cylinder structure 1 机组故障特点 （1）各故障机组在试生产初期轴振一直优良，但#1瓦轴振呈逐渐增大趋势，经过一次异常停机后，振动显著增大，见图2。 （2）启停过程中未发现轴瓦温度超标以及动静碰摩、水击等现象，但过临界须解振动保护，临界附近的增幅率高达10m/r/min。 （3）机组高中压上、下缸温差合格，打闸后，转子惰走正常，盘车投入与电流均正常。 2 #1瓦轴振特征 图2 #1瓦过临界时的轴振随启停次数变化的趋势图 Fig.2 The No.1 tile’s shaft vibration tendency chart at the critical speed with unit’s start/stop numbers X电厂某机组的升、降速及3000r/min时的轴振特征如下：（1）任一转速下，转速稳定、相位亦稳定；#1轴振从3000r/min到带满负荷一直有较大的残余振动（1X/1Y=196m/145m）且幅值相位不变，见图3。（2）#1轴振主要成分为工频，其它分量很小。（3）过临界时用手持振动 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 测量发现，#1、#2瓦的轴向振动比以前大；此外，停机降速时的轴振比升速时大，但曲线形态基本一致。（4）调查发现,其它机组的振动情况与此台机组有类似特征。 转速 图3 X电厂机组修前启动时1X轴振升降速波德图 Fig.3 The Bode plot of the shaft vibration at No.1 tile at the unit start/stop before overhau 3 振动原因分析 由机组的振动特征可见，属于质量不平衡引起的普通强迫振动。其主要原因一般有[1]-[2]：（1）转子原始质量不平衡；（2）转子零部件松脱；（3）转子弯曲；（4）动静碰摩。 由于多次冲转波德图形态相同，轴承座各连接部分及轴承座与基础台板之间的差别振动很小，启/停机与盘车过程中均听不到轴瓦和缸内异音，故排除轴系零部件松脱原因。根据机组的运行特点，可排除转子原始质量不平衡原因。 每次启/停机组，#1、#2轴振都是在过临界时最大，但是，高中压转子的临界转速并没有改变；相邻两次冲转间的振动特征也基本相同，金属温度正常，温升率小于5℃/min，故可排除发生严重动静碰摩的原因。 机组启/ 停过程通过临界转速时都有较大的轴向振动，符合转子弯曲振动的特征，因此，转子发生弯曲的因素不能排除，决定揭缸检查。检查发现：转子零部件完好，无断落、水击和松动现象；各轴段无明显碰摩痕迹；中低对轮联接力矩正常，解开螺栓却发现中压侧对轮有4～8丝的瓢偏，复测各轴段弯曲发现:不同机组的高中压转子分别在中压平衡活塞处，中压第4、5级间的轴段上发生了8～12丝的永久性弯曲。由此 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了，振动异常的主要原因是转子弯曲。 4 转子弯曲类型及原因分析 4.1 转子弯曲类型确定 转子弯曲的一般原因可分为：原始弯曲和热弯曲。由于新机组分布在不同地区，由不同的公司安装，转子出厂和安装 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 也未显示存在原始弯曲的记录，故可排除原始弯曲原因。 热弯曲的原因通常有：(1) 设计不合理；(2) 材质不均匀；(3) 高温转子接触冷气或冷水；(4) 动静碰摩；(5) 转子内部存在残余应力等。 由于高中压转子是无中心孔整锻转子，且大部分同类机组运行情况良好，因此原因（1）、（2）可以排除；查阅历史记录，正常运行中未出现汽缸本体疏水、高中压上下缸温差大等异常，所以正常工况下出现原因（3）的可能性被排除。另由振动分析可排除原因（4）；可见，非正常工况下的原因（3）与原因（5）不能排除，它们是导致转子弯曲的基本原因。 4.2 残余应力的形成机理及消除方法 4.2.1转子应力残余的客观条件 金属构件在锻压、切削加工和热处理过程中，因热胀冷缩和机械力造成的变形，使工件内部产生残余热应力和组织应力。其中，热应力的形成条件是：材料高温强度大、工件尺寸大、冷却速度快等。组织应力的形成条件是：工件尺寸大、截面温差大、淬透性好。此外，截面差异大（如：粗细不均、存在沟槽、尖棱等）的部位，容易形成大的残余应力。由于此类机组的高中压转子材料是30CrlMolV耐热合金钢，具有高温强度大、淬透力强、工件尺寸大等特点，平衡活塞处还有多道加工沟槽等典型结构，所以具备形成大应力残余的所有客观条件。 4.2.2 残余应力的消除工艺及对比 消除残余应力的工艺有：自然时效、振动时效和热时效，其中，自然时效已基本被淘汰。振动时效是用外激励迫使工件共振，从而给工件内每个晶格施加一定动能，使之与微观组织自身的原有能量之和，克服组织周围的井势（恢复平衡的束缚力），产生位错移动，导致位错塞积群前沿形成应力集中，当此微观区域的σ动+σ热1 ＋σ残 ≥σＳ时，就会发生塑性变形，形成位错的迁移运动。迁移的位错切割位错群，使应力集中处的错位得以滑移并重新钉扎，达到消除和均化残余应力的目的。其中：σ动 --外界施加给工件的周期动应力,σ热1--共振时工件机械能转变为热能所形成的热应力,σ残 --工件内部的残余应力,σＳ --材料在温度突变点的屈服极限。 热时效是将工件加热到相变或再结晶温度以下，保温一段时间, 然后进行缓慢冷却,使残余应力大幅度下降的退火工艺。当转子内部的弹性残余应力超过最高加热温度时材料的屈服强度时，构件内大部分位错发生热激活，迅速增殖、滑移、组合，导致材料塑性变形，使弹性能迅速释放，残余应力急剧减小。当弹性残余应力小于该温度下的材料屈服强度时，就不会发生位错的大量增殖与滑移现象，只能按能量起伏规则，使少量位错逐渐运动（注：温度较高时，也可能有部分位错攀移现象），从而导致金属局部缓慢塑性流变，形成弛豫过程，使应力得以松弛。 各制造厂目前均采用热时效方法处理，由于要同时虑及转子的机械性能和去应力效果，退火温度多选择低于746～765℃ [3] [4]。 实践证明，高温下残余应力的迅速释放会产生非常不利的后果，因此，应严格控制退火温度、转子各部分的温差以及温降速率，300℃以上禁止速冷、空冷，防止产生二次应力残余。 4.3 转子弯曲成因分析 额定工况下，高中压转子的大部分区域上其内部温度处在250～565℃的低温回火区内 [5]，见图4。此温度范围内，马氏体、贝氏体或回火索氏体的组织结构不会发生改变，但其形态会向着应力降低的方向发生变化，形成局部驰豫；而温度低于200℃的轴段上，内应力状态基本稳定，一般不会发生应力松弛现象。 由于残余应力沿转子断面和长度方向是不均匀分布的，因此，转子的应力释放与金属流变具有各段各向异性。此类微观的位错运动，在参数稳定的高温蒸汽场以及转速稳定的高速旋转离心力场中会迅速得到矫正并均匀化，因此，不容易在某一方向或局部形成位错畸变。一般地，转速越高，温度场越稳定，内应力分布就越均匀、释放也越舒缓。（注：σ热2—因转子表面温度变化导致转子内外温差而形成的附加热应力）。可见，单纯的残余应力，只要不是过分严重，在正常情况下是不会形成塑性弯曲的。 但是，当高温转子（尤其是热应力系数变化强烈的400℃左右的轴段[6]）突然遭遇大量冷却介质等异常情况停机时，由于初始温度高、温降梯度大、机组转速低等原因，残余应力就会无序释放且释放速度很快，加上较大的外力推动，很容易在敏感轴段形成应力跃变和位错攀移、畸变，形成转子局部塑性弯曲。由此可见，转子弯曲的成因是：轴段残余应力加上异常外力推动。 图4 某电厂#3机3000r/min时高中压缸内温度分布情况 Fig.4 The temperature distribution of HP/IP cylinder at 3000r/min on No.3 unit in a power plant 4.4 转子弯曲实例 实例一：X电厂某机组正常投产半年后，因厂用电突然消失，导致甩负荷停机并投入汽缸快冷。厂用电恢复后，再次开机，过临界时振动出现异常。揭缸发现，中压转子平衡活塞处发生了12丝左右的永久弯曲。其原因是：在应力矫正环境缺失情况下，缸温偏高而投汽缸快冷，迫使高温转子在中压平衡活塞附近等率先接触大量冷气，使之σ热2迅速增大，综合应力σ动+σ热1+σ热2 ＋σ残 ≥σＳ，产生塑性变形。 实例二：Y电厂某机组投产近一年后，因真空防爆膜破裂，导致甩负荷停机。故障排除后，再次开机，过临界时振动异常。揭缸发现：中压转子第4、5级之间的轴段发生了10丝左右的永久弯曲。可见，机组停机前，大量冷气通过低压缸经连通管率先涌入温度较高的中压缸排汽端，导致σ热2瞬间增大，同时，由于温度场的严重不均匀使转子大幅度振动，导致σ动、σ热1随之增大，使残余应力较高的中压第4、5级叶轮之间的轴段综合应力σ动+σ热1+σ热2+σ残≥σＳ，形成塑性弯曲。 一般地，由外应力单值增大导致综合应力≥σＳ时，变形区的组织结构是不变的，外力撤销，应力随之消失，没有应力残余，因此，当重新进行去应力退火时，没有应力释放，弯曲值不会改变。但，由外应力+残余应力≥σＳ引起的弯曲变形，在外力消失后，转子重新去应力退火时，将会导致残余应力二次释放，弯曲值发生一定程度变化，可籍此区分造成转子弯曲的内因/外因。例如X厂的高中压转子返回制造厂进行二次去应力退火后，弯曲值从11丝回缩至7丝，就充分证明了这一点。 5 故障处理 方式一：X电厂转子返回制造厂。首先在制造厂内对高中压转子整体进行去应力退火。根据材质与尺寸分别确定最高加热温度为750℃，总处理时间为70h。转子冷却后，再对剩余弯曲量进行切削加工并整体加工修正以消除对轮瓢偏、保证转子同轴度，最后进行高速动平衡。处理后机组启动，过临界时高中压转子振动不超过80m，机组顺利各项试验一直到并网带满负荷，轴系振动均在优良水平内。 方式二：Y电厂现场直轴。首先将高中压转子的弯曲轴段加热至最高温度540℃，然后加力直轴，直轴合格后，再进行最高660℃的去应力退火，处理时间40h，然后视开机时的振动情况决定是否再做高速动平衡。 6 结论 （1）高中压转子振动异常的主因是转子变形；弯曲是因，振动是果。 （2）单纯残余应力一般不会直接导致塑性变形，只有与某些非正常工况（如：轴系大幅振动、动静深度碰摩或高温转子突遇大量冷介质停机）时的外应力叠加，才可能使局部综合应力≥σＳ，导致塑性变形。建议进一步研究静态变形较大轴段处的应力情况，必要时，对其进行设计更改或加工工艺改进。 （3）建议该类机组在调试和试生产阶段应尽量减少早期启/停机次数，延长投产初期的连续运行时间。避免出现温度、转速或负荷的大幅度摆动以及非正常紧急停机。若必须临时停机时，应做好如下预案：①尽量不停盘车，缩短停机时间；②禁止在缸温300℃以上投快冷；③严禁冷介质涌入高温汽缸等。 （4）停机揭缸检修时，应重点监测综合应力较大的轴段弯曲情况，并按文中所述的方法判断弯曲的弹/塑性性质，确属塑性弯曲时，建议采取第一 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行处理。 参 考 文 献 [1]王秉仁, 高翔, 芦盛阳. 大型汽轮发电机组动静碰摩故障特征分析与现场处理[J]. 汽轮机技术, 2008, 50(6): 457-459. [2]陆颂元, 《汽轮发电机组振动》，中国电力出版社, 2000年. [3]李松瑞, 周善初, 《金属热处理》, 中南大学出版社, 2005年. [4] 樊东黎, 徐跃明, 佟晓辉, 《热处理技术数据手册》, 中南大学出版社, 2005年. [5]邬文睿, 王炜哲, 蒋普宁, 等. 660MW超超临界汽轮机高压转子的高温蠕变强度分析[J]. 动力工程, 2009, 29(2): 99-103. [6] 刘彦丰，郝润田，高建强，赵军友. 转子物性对超临界汽轮机启动热应力的影响 [J]. 热能动力工程, 2008, 23(1): 21-23. 作者简介：田国成(1965-),男，山东淄博桓台，硕士，高级工程师，副教授，主要从事汽轮发电机组的振动监测与故障诊断处理以及大型机组的现场调试工作。