核电汽轮发电机组轴振周期性变化故障分析处理

何斌，杨璋，李诚

（1．东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000；2．福建宁德核电有限公司，福建 宁德，352000）

1 前言

某核电汽轮发电机组为单轴三缸四排汽冲动凝汽式半转速机组。采用弹簧隔振基础，轴系由汽轮机高中压转子、2根低压转子与发电机转子构成，发电机转子轴端悬挂有旋转整流器的无刷励磁机。机组共8个支撑轴承，均为三瓦块结构的可倾瓦，推力轴承位于2号轴承座内，采用弹性隔振基础。各轴承处安装有互成90°的相对轴振测点，V指竖直方向，H指水平方向。轴系支撑如图1所示。

图1 机组轴系示意图

2015年6月机组完成“168试运”，投运后轴系振动幅值呈现周期性变化现象，其中5～8号轴振波动最为显著。分析判断轴系周期性波动属于软性摩擦引起，无法确定根本原因。经过近3个换料循环连续运行，对可能原因进行了逐一分析排查，确定发电机密封瓦浮动受阻是引发振动异常的主要原因，从而解决了机组轴系振幅周期性波动问题。

2 振动现象

在机组带负荷运行期间，低压转子及发电机转子的各轴瓦均存在振幅周期性波动现象，图2是5个测点振动幅值趋势图，波动周期约5 h。最大波动幅度为6H测点，即6瓦水平方向，表1是某时段各轴振测点幅值波动范围统计，6H波动幅度达36μm。

图2 振动幅值趋势图

表1 机组轴振幅值波动范围统计

多次对机组运行参数与振动波动的相关性分析，并采用专业振动设备收集各轴振、瓦振的特征数据，总结出以下特征：

（1）低压Ⅱ转子与电机转子轴振波动幅度最为显著，其中6H测点波动幅度最大。

（2）各测点振动均以工频成份为主，工频振动变化导致了振动周期性变化。

（3）工频振动相位也呈现周期性变化。

（4）振动波动周期基本在4．5～5 h。

（5）轴承座振动和轴振动的趋势保持一致。

（6）电机密封瓦油流量、冷却氢压差也存在周期性波动，周期与振动变化周期一致，见图3。

图3 轴振与电机密封油流量及冷却氢压差趋势图

3 振动分析

从机组振动特征看电机密封瓦油流量、冷却氢压差参数与振动周期性波动相关。密封油参数的波动问题在其他机组上也曾发生，其原因是密封油系统工作异常[1～2]，但并未引起机组轴振跟随大幅度波动。密封油作用是为发电机两端的密封瓦提供压力油，该机密封油参数虽有波动但在正常范围内，仅密封油参数的波动并不影响密封瓦的正常工作特性。密封油流量与油的进出口压差、密封瓦间隙相关，密封瓦间隙变化会引起密封油流量的变化，密封油参数波动与振动波动也可能都是故障结果的表象。

轴系振动幅值周期性变化的特征与拍振类似，是否因其他震源传递到本机基础及轴系呢？若是2个频率相近的简谐振动的合成，那么它们的频率差值Δf=1／T，则Δf=1／（4．5×3 600～5×3 600）=0．055 6～0．061 7 mHz。实际机组运行转速跟随电网频率波动，该机从历史数据看运行转速范围为1 499～1 501 r/min，工频变化33．3 mHz。机组工频变化值远大于计算所得的拍振信号的频差，若是拍振引起的机组振幅波动，那么网频的波动会显著改变轴振变化周期。实际上机组幅值波动周期没有跟随工频明显改变，通过对可能的外围震源巡查分析，也未发现可疑的激振来源，因此，排除拍振故障的可能性。

机组振动主要以工频分量为主，可以确认该异常振动是属于强迫振动性质。机组轴振幅值主要受激振力与支承系统动特性影响。机组额定工况运行时，轴承载荷以及基础标高处于稳定状态，支承系统各参数都是基本稳定的。因而，轴系振动幅值周期性变化是源于激振力的变化。

低压Ⅱ转子与电机转子轴振波动幅度最为显著，其中6号、8号轴振的波动幅度大。对机组一段时期内轴振数据提取分析，分析表明6号、8号轴振旋转变量大于稳定分量（视均值为稳定分量），见表2；其工频相位变化范围有360°，见图4。振动变化特征符合旋转性热不平衡故障。

表2 轴振变量统计

图4 轴振工频幅值及相位趋势图

从结构分析看，汽轮机与发电机转子上都不可能有部件能周期性移动。引起转子不平衡量周期性变化的可能性有：动静部件摩擦、轴承及密封瓦处的莫顿效应。这2种故障引起转子不平衡量周期性变化的机理类似。对于动静部件摩擦故障，转子振动高点较原始不平衡力方位有滞后，高点处因与静止部件摩擦，该点的温度较转子表面其他点温度高，简称热点；而与高点对应直径方向的另一端摩擦程度最轻温度相对低，从而使转子产生沿圆周方向分布不均的热梯度，转子出现热弯曲不平衡。对于莫顿效应故障，与摩擦相似，高点处是以最小高度略过油膜最薄处，因油膜的黏性剪切能量该点的温度较转子表面其他点温度高；而与高点对应直径方向的另一端距离轴承内表面最远，温度相对低，从而使转子产生沿圆周方向分布不均的热梯度，转子出现热弯曲不平衡。

热弯曲不平衡量与转子原始不平衡量合成，因不平衡量变化转子振幅出现变化，即振动轨迹发生变化；合成不平衡力的方位较原始不平衡量方位有变化，振动高点随之逆转。在新的振动高点处形成新的热点，如此循环变化，从而，转子的振动幅值与相位循环变化。转子不平衡量变化过程示意见图5。

图5 转子不平衡量变化过程示意图

干摩擦振动因摩擦的非线性，热弯曲不平衡量的大小较难保持稳定，导致振动变化量的幅值不稳定，表现为幅值与相位的重复性差；而莫顿效应线性较好，转子振动幅值与相位重复性较好。从实际案例看，机组转子与软性物体摩擦或与刚度较小物体摩擦，长期不能脱离，不造成转子过大热变形，也可能出现轴振长期周期性波动。如：转轴与塑料或毛毡、电机滑环、碳刷等[3～8]。

因此，该机振动周期性波动可能是动静部件间软性摩擦或轴承及密封瓦处的莫顿效应所导致。为了不遗漏可能的故障源，对机组动静部件摩擦、轴承及密封瓦处的莫顿效应故障都逐一排查。

4 故障部位排查

该机低压Ⅰ与低压Ⅱ的实测临界转速分别是1 133 r/min、1 150 r/min，计算表明两低压转子振型藕合明显。由于异常振动主要在低压Ⅱ转子与电机转子部分，因而，故障源应是在低压Ⅱ或电机部分，低压Ⅰ转子振幅波动是被带动起来的。

从机组结构看，低压部分静止部件与转子间可能摩擦点有：隔板径向汽封、轴封、平衡轮毂处的真空密封胶垫。电机部分可能摩擦点有：电机转子汽机侧的接地电刷。可能发生莫顿效应的位置有：5～8号轴承处，电机转子两端密封瓦处。

4.1 动静摩擦

从机组首次检修结果看，低压Ⅱ部分平衡轮毂处的真空密封胶垫磨损，与转子间隙最小部位胶垫中部破损；5～6号轴承附近的轴封下部磨损明显，特别是6号轴承端较重，磨损量0．67～1．15 mm。检测发现轴封底部磨损与机组抽真空后端部轴封上抬有关。在检修中将5～6号轴封下部间隙放大，拆除了平衡轮毂处的真空密封胶垫，但检修后机组轴振周期性波动没有明显改善。

现场多次进行了变化低压排汽压力试验。试验结果表明，低压排汽压力变化对振动波动影响较小，有时振动波动幅度略有变化，有时没有明显变化，见图6。

图6 低压排汽参数与振动趋势图

因此，排除低压部分动静摩擦引起轴振周期波动的可能性。

该机接地电刷处于电机转子汽机侧的外伸轴段处，圆周上半布置有4个电刷，电刷与转子间有一定紧力。若电刷与转子间紧力过大造成转子热变量，则低压Ⅱ转子与电机转子轴振变化量较大，与该机的故障特征相似。据查询，机组运行期间要求电刷轮流定期更换，电刷被多次更换过，按程序文件控制电刷压紧力。未发现该机组电刷磨损有异于其它轴振正常机组；也未发现机组轴振波动变化的历史趋势与电刷更换有关联。因此，接地电刷是故障源的可能性极小。

4.2 莫顿效应

现场进行了变化润滑油温度试验。润滑油温度从44．5℃提高到47．5℃，5H、6H波动幅度减小约3μm，均值减小有4～6μm，见图7。

图7 润滑油供油温度与振动趋势图

从历史数据发现，该机一段时间曾发生润滑油供油温度频繁波动问题，润滑油供油温度有约3℃的波幅，但机组轴振周期性变化特征在油温波动与油温稳定期间没有明显改变，见图8。轴承润滑油温度变化，则润滑油黏度改变，必然引起轴心位置的波动，图9是5～8号轴心平均位置的水平和垂直方位位移趋势图。从图可见，因油温波动，5～8号轴承处轴心位置存在明显波动，波动量约20μm；当油温稳定后轴心位置也就变为稳定。这表明轴承处轴心位置的变化并没有明显改变轴振变化的周期与波幅。若轴承处发生莫顿效应，振动响应理应对轴心位置的变化较为敏感，显然，该机特征与之不同。

图8 轴振与润滑油温度轴承金属温度的趋势图

图9 轴振传感器与转子间间隙趋势图

表3是该机轴承金属温度与同类型机组的数据比较，该机轴承金属温度处于中间水平状态，轴承两端温差较小，轴承金属温度正常。没有证据表明轴承瓦面存在过高温度区域。

表3 4台同型机组轴承金属温度数据℃

因此，可排除轴承处发生莫顿效应的疑点。

从2次检修期间检查结果看，电机密封瓦处都存在明显的卡涉痕迹。由于半速机组密封瓦尺寸大刚性不强，可能出现翘曲变形。检修中虽重点对密封瓦间隙进行了检查调整，但第2次检修中仍发现密封瓦局部存在摩擦痕迹；密封瓦径向间隙偏小；密封瓦轴向、径向配合面粗糙度大，存在局部高点。从同型机组现场动平衡数据看，电机转子风扇环处加重平衡量对6号轴振的影响系数幅值略大于电机轴振，因而，密封瓦处引起的热不平衡故障与该机轴振异常特征吻合。

综上分析，认为该机轴系振动周期性波动是由于电机密封瓦卡涉导致的莫顿效应引起的。

5 试验与处理

2017年7月9日，冷氢温度上调，轴振波动周期由5.5 h变长为8 h，机组振动波幅变化明显。2017年10月27日，将机组发电机冷氢温度从44.5℃调整到38℃，轴振周期性波动幅度逐渐减弱，6H轴振波动幅度小于4μm，见图10。冷氢温度降低，电机转子轴颈平均温度有所下降，转子热膨胀量减小，按轴颈平均温度场降低6℃计算，密封瓦处轴颈直径为800 mm，膨胀量减小约0.06 mm。从而使转子密封瓦间隙增大，有利于消除密封瓦的卡涉。

图10 冷氢温度与振动趋势图

在机组第3次大修中，对密封瓦按设计要求进行了仔细检查及修复。在胎具上检查密封瓦对缝接触情况，在机床上进行平面度检查与研修，以保证接触面的质量。密封瓦空侧与氢侧间隙按设计上限调整。经本次处理后，机组带负荷运行期间轴振周期性波动现象消失，机组运行期间负荷和轴振的趋势见图11。

图11 运行期间负荷和轴振趋势图

6 总结

对机组轴系振动周期性波动的原因分析，判断故障系动静间软性摩擦或轴承及密封瓦处的莫顿效应引起。经过故障排查后，确认了电机密封瓦卡涉是引起振幅周期性波动的根源。通过大修期间对电机密封瓦检查修复，彻底解决了机组轴振周期性波动故障。从该百万半转速核电机组的振动故障处理经验看，电机密封瓦尺寸大刚性不强，装配贴合面接触状态不好，可能造成密封瓦卡涉，引起振动故障，因此，检修期间需严格控制此处的安装质量。