CN104132806A - 一种识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法，包括：1)汽轮发电机组运行过程中，实时测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量，所述转子的振动特征分量包括转子振动趋势、转子振动的频谱以及转子振动的相位；2)根据所述振动特征分量判断汽轮发电机组中转子是否发生裂纹故障，以实现对转子早期裂纹的预警，进而提示运营单位及时停机探伤检查和处理，避免机组继续运行可能发生的断轴毁机灾难性事故。

Description

一种识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法

技术领域

本发明属于旋转机械设备故障诊断技术领域，涉及一种诊断裂纹故障的方法，具体涉及一种识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法。

背景技术

转子裂纹是威胁汽轮发电机组等旋转机械轴系安全稳定运行的重大故障。如果不能及时发现，当转子裂纹发展到最后阶段，会导致机组运行中出现灾难性的断轴毁机事故，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。目前检测转子裂纹的手段通常是在机组停机大修期间对转子进行超声波、磁粉和红外等探伤检查。若转子表面出现裂纹时，一般通过这些常规探伤手段能够探测出存在的裂纹。但如果是转子内部出现裂纹，在其没有扩展到表面时，现场探伤有时很难检测出来。同时由于机组转子结构的特点，如受成品汽轮机转子轴封、叶根部位以及发电机转子套装风扇环下轴等部位限制，可能会影响到探伤仪表对这些部位探伤结果的准确度，有时无法探出已存在的裂纹。此外，有些情况下转子裂纹发展很快，还未等到机组停机检修，裂纹已发展到严重影响机组安全运行的危险程度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法，该方法可以在汽轮发电机组运行状态下及时、准确的识别转子的裂纹故障。

为达到上述目的，本发明所述的识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法包括以下步骤：

汽轮发电机组运行过程中，实时测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量，所述转子的振动特征分量包括转子振动趋势、转子振动的频谱以及转子振动的相位；

汽轮发电机组工作过程中、启动或者停机时1/2临界转速下，当转子出现2倍频振动且持续增长时，且2倍频振动持续增长与励磁电流无关时，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作过程中，当转子出现持续爬升的1倍频振动，且对转子进行若干次施加平衡重量后，转子的平衡效果与预期值不同，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作中，当转子1倍频振动相位发生突变，且振动振幅爬升的速度大于预设阀值以及振动与励磁电流无关时，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作中，当转子振动持续上升，且转子的振动随汽轮发电机组的有功负荷而变化，则汽轮发电机组中转轴的内部发生裂纹。

通过TDM系统或DCS系统实时测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量。

通过对比添加励磁电流前后转子的振动特征分量来判断转子出现2倍频振动且持续增长是否与励磁电流有关。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法判断汽轮发电机组中转子是否存在裂纹故障时，在汽轮发电机组工作的过程中，实时的测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量，然后根据所述转子的振动特征分量来判断转子是否发生裂纹故障，从而及时、准确的诊断出转子的裂纹故障，规避了成品转子部分位置探伤结果可能产生的偏差以及裂纹快速扩展造成危及机组安全运行事故出现，保证机组安全运行，防止灾难性事故发生，避免出现的巨大经济损失。

附图说明

图1为本发明中实施例一内7号轴承X方向轴振动趋势图；

图2为本发明中实施例一内7号轴承Y方向轴振动趋势图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法包括以下步骤：

汽轮发电机组运行过程中，实时测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量，所述转子的振动特征分量包括转子振动趋势、转子振动的频谱以及转子振动的相位；

汽轮发电机组工作过程中、启动或者停机时1/2临界转速下，当转子出现2倍频振动且持续增长时，且2倍频振动持续增长与励磁电流无关时，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作过程中，当转子出现持续爬升的1倍频振动，且对转子进行若干次施加平衡重量后，转子的平衡效果与预期值不同，则汽轮发电机组中转子出现裂纹，一般对转子进行2次施加平衡重量；

汽轮发电机组工作中，当转子1倍频振动相位发生突变，且振动振幅爬升的速度大于预设阀值以及振动与励磁电流无关时，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作中，当转子振动持续上升，且转子的振动随汽轮发电机组的有功负荷而变化，则汽轮发电机组中转轴的内部发生裂纹。

通过TDM系统或DCS系统实时测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量。

通过对比添加励磁电流前后转子的振动特征分量来判断转子出现2倍频振动且持续增长是否与励磁电流有关。

实施例一

某亚临界600MW机组自2008年5月6日起，从振动趋势上看发电机2个轴承振动有爬升现象，其振动特点如下：(1)振动与密封油温度、氢温及氢压无关；(2)振动与励磁电流无关；(3)振动与有功负荷有关，有功负荷增加，振动增大，但即使有功负荷降低，振动基数持续增大；(4)振动主要以1倍频分量为主；(5)7号轴承及8号轴承轴振增大时，瓦振也同步增大，但6号轴承轴振和瓦振则降低；(6)振动在高位时，电网可控串补退出运行，7号轴承在X、Y方向轴振分别由131μm及114μm降到115μm及104μm，投入后振动恢复到退出前的数值。参考图1及图2，TDM系统记录的2008年5月1日至5月8日发电机前轴承轴振变化趋势中，5月5日4:30至6:40，7号轴承在X方向轴振动1倍频相位由332°变至215°，5月5日20:00至5月6日0:42，7号轴承Y方向轴振动1倍频相位由122°变至271°，随后振动快速爬升。

因振动与发电机转子励磁电流以及密封油温、氢温、氢压无关，可以排除发电机转子出现热弯曲和密封瓦碰磨的可能。由于振动明显与有功负荷密切相关，且电网串补投入后振动有一定的提高，表明低/发联轴器扭矩增大后联轴器附近平衡状态有所变化，造成发电机轴承振动的增大及6号轴承振动的改变，判断低/发联轴器连接螺栓出现紧力不足或不均匀现象、以及转子裂纹等其他内部缺陷。由于总体振动基数不断爬升，至5月9日7号轴承及8号轴承最大轴振已分别接近160μm和120μm，随后决定临时停运该机组。机组停运后对低/发联轴器、低压缸及发电机内部进行重点检查，查找振动原因。

解体检查发现，低/发联轴器部分连接螺栓(约1/3)拉伸长度偏小，紧力不足；发电机联轴器侧有3处肉眼可观测的明显穿透性裂纹，裂纹长度分别为50mm、180mm和55mm，裂纹与轴向成一定角度。现场着色探伤发现，对应于发电机套装联轴器8个圆锥形销子的内孔处，也发现若干轻微裂纹；盘车齿盘与发电机侧对轮、发电机侧联轴器与连接螺栓的螺帽存在过热现象，齿盘吊出后，接触面有摩擦现象。该发电机转子返制造厂维修时，在发电机低/发联轴器侧轴肩部位又检测发现2道裂纹，裂纹长度分别约为250mm和65mm，方向与轴向成45°；在发电机汽侧风扇环底部转轴上也发现裂纹。

从检查情况来看，是由于转子产生裂纹引起振动的爬升或变化，当发电机有功负荷增大时，低/发联轴器处承受的扭矩增大，转子及联轴器在交变力作用下，裂纹扩展，平衡状态改变及恶化，造成振动爬升，裂纹扩展越严重，振动爬升越快，裂纹产生的原因，从裂纹方向看，与承受较大的剪应力有一定的关系，输电线路的串补使轴系产生次同步谐振，其会对轴系造成较大的低频扭矩作用，会使转轴承受较大的剪应力，引发轴系部件疲劳损伤。

实施例二

参考表1，某超临界660MW机组汽轮机两个低压转子振动情况一直较好，但2011年7月18日以后，发现3号轴承轴振出现增大趋势，到8月5日机组停机前，最大轴振已达200μm以上。

表1

该机组振动主要呈1倍频分量，振动变化表现为3号轴承轴振小幅爬升，同时4-6号轴承轴振也同步增大，3-6号轴承瓦振也跟随增大，最大轴承瓦振超过80μm，但停机时通过低压临界转速附近时，3-6号轴承轴振均很小，最大不超过75μm，而且在低转速时(300r/min左右)3-6号轴承处轴颈晃度较小，基本在20μm左右，3号轴承轴振与汽封系统相关性较强，投入减温水，振动会出现快速上涨，在此情况下关闭减温水振动幅值会下降，但是关闭减温水后振动幅值不能回到振动上涨前的数值。

由于振动以1倍频分量为主，且振动爬升与轴封减温水投入有一定关系，最初诊断为低压转子与轴封产生动静碰摩引起转子出现热弯曲，原因可能是轴封减温水投入后，汽封段出现不均匀的温度场，造成汽封体变形，动静间隙消失，产生摩擦振动，但与一般的动静碰摩产生的转子热弯曲引起的振动特点不同的是，热弯曲转子一般停机过临界转速时的振动会大幅增大，低速时测得的轴颈晃度也较冷态启动时要增大很多。

参考表2，2011年8月5日该机组停机进行检修，检查3、4号轴承及其轴颈，汽封减温水喷头，中低压联轴器对轮罩等，未发现明显异常。上述检查工作完成后，机组于2011年8月9日启动，升速通过低压临界转速时3-6号轴承轴振均很小，定速3000r/min时，3号轴承轴振较大，X、Y方向轴振分别为142μm、125μm。考虑到低压1号转子3、4号轴承振动主要以反相分量为主，表明其存在一定的二阶质量不平衡，随后在低压1号转子加一组0.85kg的反对称平衡重量，工作转速下3号轴承最大轴振降至90μm。

表2

现场动平衡工作结束后，机组并网带负荷运行，随着负荷增大及运行时间延长，3号轴承轴振又继续爬升，8月10日振动爬升到140μm左右，8月13日下午已到200μm左右，晚上达到220μm左右，8月14日凌晨，振动已超过254μm的限值引起跳机，停机惰走通过临界转速时振动及低转速晃度值仍然很小，机组运行期间负荷基本稳定，轴封减温水基本未投。

根据上述分析和处理过程，该机组振动特征有一些无法解释的疑点：(1)转子径向动静碰摩一般会产生暂态热弯曲，停机过临界转速时振动及低转速下晃度较机组启动时应有明显增大，但该机组多次启、停机过程均无此现象；(2)发生暂态热弯曲的转子通过一定时间盘车后一般恢复到其原始状态，再次启动定速后，振动应基本达到原来的振动水平，但该机组每次启机，定速3000r/min后的振动值都有较大的增加，表明转子平衡状态发生较大变化；(3)根据低压1号转子二阶加重计算得到的影响系数，较同类型机组加重影响系数要小。

另外，查询该机组2011年3-4月的运行记录表明，以前运行中轴封减温水调节阀的投入及开度对3号轴承轴振有一定影响，因振动基数很小(20μm左右)，振动的波动范围量值相应也较小，并不被运行人员所注意。因此，振动故障表面上看似乎是轴封减温水投入引起转子摩擦振动，但根本上应是转子平衡状态已发生改变，转子的内因促使其发生变化，只有揭缸检查才能发现问题之所在，2011年8月25日，揭开低压1号缸，现场检查发现转子最大弯曲为0.02mm，基本与原始安装值相同，转子叶片、汽缸等未发现异常，现场对转子进行磁粉和超声波探伤也未发现异常，尽管如此，仍怀疑其转子内部可能存在裂纹，随后决定返制造厂进行动平衡并做进一步检查，同时现场揭低压2号缸，转子、汽缸等检查也未发现异常。

2011年9月初，低压1号转子返制造厂，在车床上进一步测量判断不存在弯曲，探伤检查也未发现问题，随后在制造厂动平衡台上进行高速动平衡，振动非常大，震感强烈，且振动随转速升高持续增大，转速达不到3000r/min，经过数次加重，最终共在转子调端、中间及电端平衡孔分别加重1080g、1532g和427g，但也只能升速到2600r/min左右，此时2个轴承振动烈度值超过10mm/s和5mm/s，通过增加平衡台摆架刚度(增加60％～70％)，方使转子定速3000r/min，此时2个轴承振动烈度值超过15mm/s和11mm/s。为搞清如此异常大质量不平衡的来源，制造厂将转子两端末级和次末级叶片全部去掉重新平衡(转子返制造厂后原先施加的平衡重量全部去掉)，结果表明，在调端、中间及电端平衡孔分别加重1020g、3677g和848g后，3000r/min两轴承振动烈度值分别为0.96mm/s和1.97mm/s。这一结果也说明转子不平衡量不是源于长叶片，而是转轴本身。9月29日，进一步仔细的复探伤检查发现在转子电端(4号轴承侧)轴封与末级叶轮R弧中部存在一条长770mm，深度大于30mm的周向开口裂纹(约占圆周40％)，裂纹部位轴径600mm。

由此可见，低压转子振动的爬升是由该转子出现裂纹引起的，裂纹的发展引起振动持续增大。由于该裂纹是由转轴内部向外发展的(其起因是可能与转轴内部缺陷有关)，以及转子返制造厂时运输中可能的颠簸，造成裂纹进一步扩展，使得现场振动特性与制造厂平衡台振动特性有一定差异，并且多次探伤检查未能发现裂纹。

Claims (3)

1.一种识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法，其特征在于，包括以下步骤：

汽轮发电机组运行过程中，实时测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量，所述转子的振动特征分量包括转子振动趋势、转子振动的频谱以及转子振动的相位；

汽轮发电机组工作过程中、启动或者停机时1/2临界转速下，当转子出现2倍频振动且持续增长时，且2倍频振动持续增长与励磁电流无关时，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作过程中，当转子出现持续爬升的1倍频振动，且对转子进行若干次施加平衡重量后，转子的平衡效果与预期值不同，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作中，当转子1倍频振动相位发生突变，且振动振幅爬升的速度大于预设阀值以及振动与励磁电流无关时，则汽轮发电机组中转子出现裂纹；

汽轮发电机组工作中，当转子振动持续上升，且转子的振动随汽轮发电机组的有功负荷而变化，则汽轮发电机组中转轴的内部发生裂纹。

2.根据权利要求1所述的识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法，其特征在于，通过TDM系统或DCS系统实时测量汽轮发电机组中转子的振动特征分量。

3.根据权利要求1所述的识别汽轮发电机组转子裂纹故障的方法，其特征在于，通过对比添加励磁电流前后转子的振动特征分量来判断转子出现2倍频振动且持续增长是否与励磁电流有关。