海外電站運維項目610 MW汽輪機直軸方案分析

摘 要：

通過對汽輪機大軸彎曲和直軸方法機理的研究和理解，找到不同停機狀態下可減少已彎曲轉子彎曲程度的最佳停盤車位置，對于汽輪機轉子可以達到一定的直軸效果，為機組能夠順利啟動提供了保障。

0 引言

汽輪機大軸彎曲一旦發生，機組軸系將產生較大振動，直接影響機組的安全和穩定運行，同時會對汽輪機本體造成損壞，影響使用壽命。造成大軸彎曲的原因有兩方面：一是轉子發生振動使汽封或軸封動靜間隙消失，產生動靜摩擦；二是汽缸進冷水或冷氣使轉子局部受到急劇冷卻[1]。對于已彎曲的轉子，一般是將其返回修造廠進行直軸，或在現場用直軸設備進行直軸。但對于海外運維項目來說，從國內安排專業人員及專業工具至項目現場比較困難，而將轉子返回修造廠直軸工期又相對較長[2]，因此，在海外項目現場實施傳統的直軸工藝比較困難。本項目通過選取停機后的最佳停盤車位置，利用轉子自重及上下溫差減少了已彎曲轉子的弓彎程度，達到了一定的直軸效果。

1 轉子彎曲概況

某海外電站#6機組系上海汽輪機廠生產的A158型610 MW亞臨界、中間一次再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機，其高中壓轉子側視圖如圖1所示。該機組自2015年投運，經多年運行偏心值逐漸從20 μm增大至100 μm以上，最大值達120 μm（偏心監測器位于汽輪機調閥端小軸端部中心線的頂端，其度數也就是偏心值可以反映轉子彎曲的程度），轉子彎曲程度逐漸惡化。2019年對高中壓轉子進行開缸檢查并測量其彎曲度，彎曲圖如圖2所示。

由于轉子彎曲，該汽輪機在啟動或帶負荷運行過程中1瓦振動超標，尤其是在過臨界轉速時振動嚴重超限。在2022年的一次熱態啟動中，轉速1 618 r/min時，機組振動最大：1瓦X向：462 μm；1瓦Y向：337 μm；1瓦復合振：295 μm。在滿負荷運行時，1瓦振動常在200 μm左右。針對#6機組1瓦在過臨界轉速時振動大的情況，運行人員需要在沖轉過程中將振動保護定值放大至460 μm，才能保證機組順利啟動，這給機組運行帶來了非常大的風險和隱患。

2 大軸彎曲機理及直軸方法

2.1 大軸彎曲機理

大軸彎曲可以分為熱彈性彎曲和永久性彎曲。

熱彈性彎曲是指轉子內部溫度分布不均勻，轉子受熱膨脹所造成的彎曲。這時溫度高的一側與溫度低的一側相互作用而產生應力，由于此時應力一般未超過轉子材料的屈服極限，因而當轉子內部溫度均勻后，這種熱彎曲會自然消失[3]。

永久性彎曲是指當轉子局部受到急劇加熱時，該區域與其他部位產生很大的溫度偏差，受熱部位熱膨脹，產生較大應力，當該應力超過轉子材料的屈服極限時，轉子局部便產生壓塑性變形。當轉子內部溫度均勻后，該部位會有殘余應力，塑性變形不會消失，從而造成轉子的永久彎曲[4]。

一根材質均勻的轉子之所以彎曲，是由于某種不均勻因素的存在，當這種不均勻在轉子橫截面呈不對稱的狀態（溫度不對稱、受力不對稱）時，才可能使轉子彎曲。

2.2 直軸方法

根據汽輪機轉子發生彎曲的機理，可以采用的直軸方法主要有下列5種：

（1）機械加壓法。該方法是通過外加機械力下壓彎曲轉子的凸面并對彎曲轉子凹面進行捻打來直軸。

（2）捻打法。采用該方法需要注意下面幾點：一是捻打范圍不超過圓周的1/3，二是不能用力過度，三是按軸對稱位置交替捻打，四是注意中間位置捻打次數應高于兩側捻打次數。

（3）局部加熱法。通過在大軸凸面局部加熱冷卻產生的拉應力使其恢復。

（4）局部加熱加壓法。對大軸凸面先施加外力，再采用方法（3）來直軸。

（5）應力松弛法。利用金屬材料在高溫下應力會逐漸降低這一原理，把軸最大彎曲部位的整個圓周加熱到軸材料回火溫度以下，接著在凸點施加低于屈服點的壓力，使軸產生彈性變形，當應力在高溫下逐漸降低時，彈性變形部分轉變成塑性變形，從而消除彎曲[5]。

2.3 現場直軸思路

總結2.1節和2.2節所述彎曲機理和直軸方案可以得出，轉子彎曲或恢復均是通過作用在轉子上的溫差以及在轉子的徑向施加力而發生。本文利用停盤車時轉子自身存在的兩種力——轉子自身重力及因上下缸溫度存在偏差而產生的內部應力，嘗試對#6機組高中壓轉子進行直軸工作。

2.3.1 利用溫度不對稱

轉子在靜止狀態下上下部溫度不同，因而產生撓曲。一般情況下，停機后高中壓缸上部溫度較高，會使靜止的轉子向上弓彎，如圖3所示。

2.3.2 自身重力

轉子自身的重力會在轉子徑向產生向下的剪切力，使轉子向下彎曲，如圖4所示。

3 直軸實施過程

3.1 重力直軸

2022年9月26日，#6機組進入為期1個月的年度檢修，停機后偏心值90 μm。此次在調節級溫度為120 ℃時停盤車，考慮到此次機組停機時間較長，上下缸溫度存在偏差而產生的內部應力可忽略（當轉子內部溫度均勻后這種熱彎曲會自然消失），所以可以認為此次直軸僅自身重力起作用。

在汽輪機小軸端部上方架設百分表，盤動轉子的同時讀取百分表讀數，在轉子轉動到向上弓彎的位置停盤車（百分表讀數最大處）。經過38天的重力直軸，11月2日啟動后的1瓦振動情況與前兩次機組啟動后的數據對比如表1所示。

由表1中數據可以得到如下結論：

（1）機組啟動前偏心值越大（轉子越彎曲），1瓦在通過臨界轉速區域時振動值越大；

（2）通過將轉子停止在向上弓彎的位置來進行直軸，一定程度上有減少轉子彎曲程度的效果。

3.2 溫差直軸

2022年8月16日，#6機組1瓦因溫度異常需要進行翻瓦檢查，由于工期緊張，決定在調節級溫度為170 ℃時提前停盤車進行檢修。此時轉子存在上下溫差，溫差及重力同時對轉子的彎曲起作用，但作用相反，在不確定哪個因素起主要作用時，現場暫將此次轉子停止于向上弓彎的位置。8月17日檢修結束，投入盤車后的偏心值如表2所示。

通過表2可知，8月18日再次啟動盤車時，偏心值最初顯示為140 μm，較停盤車前的87 μm大。此次直軸過程說明，由上下缸溫度存在偏差而產生的內部應力較自身重力而言起到了主要作用。因此，在調節級溫度較高時，應將轉子停在向下弓彎位置才能達到直軸效果。

4 結論

通過這兩次現場直軸的嘗試可得出如下結論：

（1）在調節級溫度較高時，上下缸溫度存在偏差而產生的內部應力在使轉子弓彎上起主要作用。因此，若機組在調節級溫度較高且需要短暫停盤車時，應將轉子停止在向下弓彎的最大處，對彎曲轉子會起到一定的直軸效果。

（2）在調節級溫度不高時，轉子自身重力在轉子徑向上起主要作用。因此，在轉子長時間停止時，應將轉子停在向上弓彎的最大處，對彎曲轉子會起到一定的直軸效果。

（3）由上述兩種方式對轉子施加的應力是不會超過屈服極限的，所產生的也只是塑性變形，在轉子運行一段時間后塑性變形會消失，因此，文中的“直軸”方式不能徹底解決現場轉子大軸彎曲的問題。通過選擇最佳停盤車位置，只能在機組啟動前將已彎曲的轉子向更好的狀態調整，以便能夠以較小的振動值通過臨界轉速。

審核編輯：湯梓紅