某厂给水泵汽轮机在运行中出现振动突增问题,查找该设备历史检修和运行情况,结合振动数据进行分析,诊断为给水泵汽轮机汽缸内发生叶片断裂故障。为保证电力安全生产,机组及时停机检查,发现第10级动叶断裂脱落两片。叶片断裂属于严重安全隐患,对此类问题的及时、准确分析并转入检修可降低设备维护成本,避免重大安全事故,应引起设备管理专家足够的重视。

1 设备概况

某厂2号机组给水泵汽轮机(简称小机)是 SIEMENS(西门子公司)生产的型号GK32/56 DCH-6,单缸双进汽冲动凝汽式汽轮机,级数共有12级,工作转速为3500～5700r/min。设计共两路汽源,高压汽源(主汽)16.7MPa/510℃,低压汽源(四抽)1.19MPa/368.8℃,排汽压力为6.7kPa。

2014年8月6日08:33在升转速至5070rpm过程中小机振动突增,前轴承X向振动由40μm增大至114µm,Y向振动最大达到85µm,且振动爬升后一直稳定在较高的数值上,其后未见增大趋势。本次异常为首次发现掉叶片的时间,振动突增后振动数值基本维持稳定,本次未作处理,观察运行。

2015年1月6日小机升转速至5300转时,1X振动突增至200μm,2X振动为141μm,保护动作小机打闸。2015年1月8日解体小机,检查发现小机转子第10级叶片断裂两处,但只发现脱落叶片1根,另一根叶片已基本碾碎。返厂切除部分动叶片10片(第10级共计81片),1月21日小机投入运行,小机累计退备15天(图1)。

2017年3月7日06时22分小机转速5100rpm、前轴承振动25μm、后轴承振动18μm,06时22分小机前轴承振动突升至91μm、后轴承振动65μm、转速5112rpm。09时28分前轴承振动86um、后轴承72μm,初步判断为叶片飞脱导致振动突增,紧急停运给水泵汽轮机。3月9日揭缸检查发现第10级有1片动叶齐根断裂(与上次切割叶片间隔9片),对转子进行返厂动平衡处理(图2)。3月22日给水泵汽轮机并入给水系统,小机累计退备15天。

2 振动经过

第一次振动变化。2020年7月28日05:59:49小机振动发生突变,1秒内振动突增,1X轴振由33μm突增至62μm,1Y轴振由25μm突增至81μm,2X轴振由36μm突增至51μm,2秒后1X轴振85μm、1Y轴振98μm,2X轴振68μm、2Y轴振50μm,振动变化趋势如图3。振动突变后,小机前、后轴承均存在振动波动现象,前轴承振动波动比较明显,1X轴振在63～95μm之间波动,1Y轴振在109～119μm之间波动,2X轴振在69～76μm之间小幅波动,2Y轴振在54～58μm之间小幅波动。振动波动趋势。

第二次振动变化。第一次突变40分钟后,06:40:27,1、2瓦轴振再次突变,1秒内振动突增,1X轴振由73μm突增至97μm,1Y轴振由124μm突增至199μm,2X轴振由81μm突增至141μm,2Y轴振由58μm突增至82μm,振动变化如表2,振动变化趋势如图5。由于保护动作,小机惰走过程中,06:40:39,转速3650rpm,1X、2X、2Y轴振再次突变,1秒内振动突增,转速降至2798rpm(突降852rpm),1X轴振由122μm突增至200μm,1Y轴振保持不变,2X轴振由143μm突增至159μm,2Y轴振由114μm突增至200μm。

3 振动分析及振动特征

第一次振动变化分析。经过查看图3和对比表1数据,小机振动发生突变,且1秒内振动突增。转速未变的前提下,振动在3秒内连续突增,基本可确定发生旋转部件脱落[1]。振动突变后,前、后轴承均存在振动波动现象(见图4),前轴承振动波动比较明显,1X轴振在63～95μm间波动、1Y轴振在109～119μm间波动,2X轴振在69～76μm间小幅波动,2Y轴振在54～58μm间小幅波动,此现象又属于碰磨的特征,基本可判断为叶片脱落后导致发生动静碰磨。

第二次振动变化分析。由图5及表1可知,第二次轴振突变基本可以确定发生旋转部件由于碰撞再次发生脱落。

第三次振动变化分析。小机惰走过程中振动发生第三次突变,1秒内转速3650rpm降至2798rpm,轴振突增(1X轴振由122μm突增至200μm、1Y轴振保持不变,2X轴振由143μm突增至159μm、2Y轴振由114μm突增至200μm)。转速1秒内下降852rpm,表明汽缸内部发生严重碰磨出现刹车现象,此时1Y轴振已满量程(共持续11秒),同时1X、2Y轴振均发生突变(1X由78μm突增至满表,2Y由86μm突增至满表),怀疑由于脱落叶片在缸内发生碰撞导致再次发生叶片脱落所致。

4 揭缸检查结果

揭缸检查后发现第10级(包括调速级)动叶断裂脱落两片,断裂位置为叶根部位。断裂脱落的叶片引起第10级动叶围带掉落一截,并使相邻叶片出汽侧部位变形。分析认为小机叶片断裂属于腐蚀疲劳断裂,蒸汽与腐蚀敏感元素在叶片上产生局部点腐蚀,形成腐蚀疲劳源,同时因叶片存在离心力和蒸汽压力等复杂的周期性交变应力,最终造成了叶片的腐蚀疲劳断裂[2]。

通过对某厂给水泵汽轮机在运行中出现振动突增的问题,诊断为给水泵汽轮机汽缸内发生叶片断裂故障。机组及时停机检查,发现第10级动叶断裂脱落两片。叶片断裂故障发生的振动特征较为明显,大多数存在短时间内一倍频为主的振动分量突增现象,叶片断裂的同时往往还伴随碰磨故障的发生,给诊断工作增加难度。准确把握叶片断裂的振动特征,对安全生产具有重要的指导意义。