燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)軸器裂紋振動(dòng)故障案例分析

1、燃?xì)廨啓C(jī)軸系和測點(diǎn)情況

某電廠PG9171E燃機(jī)，GE公司生產(chǎn)，日開夜停調(diào)峰機(jī)組，右側(cè)排氣，機(jī)組停機(jī)熄火轉(zhuǎn)速為25%，投產(chǎn)至故障發(fā)生時(shí)已運(yùn)行15年。機(jī)組順氣流方向依次壓氣機(jī)、透平、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)排列，共5個(gè)軸承，軸系總長，其中1#、2#軸為橢圓瓦，3#、4#、5#軸為可傾瓦結(jié)構(gòu)，機(jī)組各軸瓦測點(diǎn)送MAKVIE作為機(jī)組主保護(hù)，12.7mm/s報(bào)警，高高報(bào)警值為25.4mm/s，其中，1#軸瓦振在輪控盤上測點(diǎn)為BB1和BB2，2#瓦為BB3，3#瓦為BB4和BB5，發(fā)電機(jī)為4#瓦BB10和BB11，5#瓦為BB12。軸振測點(diǎn)8個(gè)送本特利3500作為就地燃機(jī)的輔助監(jiān)視用，不參與任何主保護(hù)，1#瓦、3#、#4瓦、5#瓦各安裝2個(gè)測點(diǎn)。軸系和測點(diǎn)布置如圖所示。聯(lián)軸器為5#燃機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的連軸器，總長度3.6米，重量2.6噸，中空結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)側(cè)靠背輪14個(gè)螺栓，燃機(jī)側(cè)16個(gè)螺栓，采用液壓拉伸緊固。

2、振動(dòng)現(xiàn)象

在發(fā)生振動(dòng)故障前，機(jī)組啟動(dòng)和并網(wǎng)運(yùn)行過程中各軸瓦振動(dòng)良好（見下圖）。    

12月23日晚上，機(jī)組停機(jī)解列后轉(zhuǎn)速下降至2600r/min左右時(shí)，3#瓦振逐步變大（見表1），其他軸承瓦振未見增大趨勢。隨著機(jī)組繼續(xù)日開夜停運(yùn)行，3#軸瓦在停機(jī)2600轉(zhuǎn)速左右時(shí)瓦振增大明顯，1月4日晚解列后，3#瓦振瞬間高達(dá)26mm/s引起機(jī)組直接跳機(jī)，1月5日停機(jī)時(shí)到23mm/s，之后機(jī)組3#瓦振基本維持在23mm/s左右，臨近機(jī)組保護(hù)值，其他軸瓦振動(dòng)依然不變。根據(jù)振動(dòng)頻譜分析，3#軸瓦振最大時(shí)，瓦振以二倍頻振動(dòng)為主，二倍頻振動(dòng)值是一倍頻的3倍。3#軸瓦振最大26mm/時(shí)，3#軸軸振很小只有30μm，相連4#軸軸振最大154μm，4#軸瓦振很小只有3mm/s，各軸軸振值(見表2)。

機(jī)組在停機(jī)2600轉(zhuǎn)速時(shí)，3#軸瓦振（見下圖）最大時(shí)，瓦振以二倍頻為主，但此時(shí)3#軸軸

振并不是停機(jī)過程中最大振動(dòng)值，僅有一個(gè)小跳變（見圖4），頻譜分析振動(dòng)值增量也以二倍頻分量為主。3#軸軸振最大時(shí)，如下圖所示，2100轉(zhuǎn)速時(shí)軸振最大時(shí)，3#瓦振值并沒有明顯變化，瓦振并不高，二倍頻也未出現(xiàn)階躍跳變。               

3、振動(dòng)分析

振動(dòng)高值出現(xiàn)在機(jī)組解列停機(jī)后，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，各軸承振動(dòng)良好，振動(dòng)出現(xiàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速并非機(jī)組正常臨界轉(zhuǎn)速，首先，對(duì)振動(dòng)真實(shí)性進(jìn)行排查，通過就地實(shí)測與遠(yuǎn)傳信號(hào)比對(duì)，排除了測量系統(tǒng)故障；核對(duì)停機(jī)后機(jī)組參數(shù)變化趨勢，3#軸承腔室溫度、天然氣燃料控制參數(shù)、進(jìn)氣濾網(wǎng)差壓、壓氣機(jī)進(jìn)氣角度、潤滑油油溫、潤滑油油壓、軸承軸瓦金屬溫度、軸承出油溫度等參數(shù)，同時(shí)，比對(duì)機(jī)組在非正常停機(jī)，即100%轉(zhuǎn)速下直接熄火停機(jī)，與機(jī)組正常停機(jī)轉(zhuǎn)速下降至25%才熄火停機(jī)時(shí)各振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)各軸承的瓦振、軸振在兩種停機(jī)方式下重合，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到2600轉(zhuǎn)左右時(shí)同樣出現(xiàn)峰值，不存在因運(yùn)行控制參數(shù)異常造成機(jī)組振動(dòng)，機(jī)組是否在燃燒與振動(dòng)產(chǎn)生無任何關(guān)系。通過幾次開停機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)均在2600左右出現(xiàn)振動(dòng)，幾次振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)采集振動(dòng)重復(fù)性很好，所以排除了動(dòng)靜摩擦引起的振動(dòng)原因。

3#軸軸振與瓦振從哪里來？他們之間的關(guān)系是什么？誰是首出，主因在哪兒？由于在瓦振最大時(shí)，軸振有小跳變，而軸振最大時(shí)，瓦振并沒有產(chǎn)生明顯振動(dòng)，存在矛盾情況，所以需要逐一排查振動(dòng)因素。瓦振作為機(jī)組的主保護(hù)測點(diǎn)，其原因相對(duì)容易排查，所以排查中先假設(shè)了瓦振引起了相連軸振，經(jīng)過詳細(xì)分析，瓦振可能產(chǎn)生因素，如若軸瓦油膜震蕩、磨瓦、質(zhì)量不平衡等因素，均是產(chǎn)生半倍頻或一倍頻振動(dòng)，而本次振動(dòng)頻率為二倍頻，且在運(yùn)行中各潤滑油溫和軸承金屬溫度均正常，所以首先排除了油膜失穩(wěn)、軸瓦磨損、質(zhì)量不平衡等幾種因素；3#軸瓦為固定式一體式可傾瓦，機(jī)組在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)良好，對(duì)3#軸承座進(jìn)行全面機(jī)務(wù)檢查和增加額外測點(diǎn)檢查，檢查結(jié)果也未發(fā)現(xiàn)任何異常，軸承座各安裝螺栓緊固完好和底座支撐良好，轉(zhuǎn)子中心運(yùn)行軌跡與同類型機(jī)組比較后，也未見異常，也排除了3#軸承座支撐剛度減弱引起共振或轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器不對(duì)中引起的振動(dòng)原因。根據(jù)上述推斷，基本判斷3#軸瓦振不是瓦或軸承座本身異常所致，只能從外部傳遞過來，由于3#瓦鏈接著燃機(jī)與發(fā)電機(jī)，根據(jù)燃機(jī)側(cè)1#軸、2#軸瓦振和1#軸軸振良好，基本排除燃機(jī)側(cè)振動(dòng)導(dǎo)入可能，所以只能推斷出3#軸瓦振動(dòng)不是由本身或燃機(jī)側(cè)傳入，是由發(fā)電機(jī)側(cè)傳入。    

根據(jù)上述分析，3#瓦振大由發(fā)電機(jī)側(cè)導(dǎo)入，因4#軸瓦振值非常小，不足以引起軸系振動(dòng)，發(fā)電機(jī)軸承支撐又直接坐落于發(fā)電機(jī)外殼端蓋，瓦背緊力為過盈5絲安裝，在確認(rèn)發(fā)電機(jī)底腳、4#軸承中分面及端蓋各固定螺栓后，基本排除了因發(fā)電機(jī)底腳或外殼端蓋失穩(wěn)引起的軸振原因，軸瓦無異常，只能是4#軸異常產(chǎn)生振動(dòng)，所以最后把振動(dòng)發(fā)生源基本鎖定在4#軸發(fā)生軸振的因素。軸振的分析主要依據(jù)軸振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)（見下圖），振動(dòng)主要是一倍頻和二倍頻疊加為主，一倍頻140μm，二倍頻70μm。分析轉(zhuǎn)子的一倍頻一般由轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、聯(lián)軸器不對(duì)中、轉(zhuǎn)子共振等振動(dòng)因素產(chǎn)生，二倍頻一般由發(fā)電機(jī)電磁振蕩、發(fā)電機(jī)裂紋轉(zhuǎn)子剛性不對(duì)稱、聯(lián)軸器裂紋剛性不對(duì)稱、聯(lián)軸器不對(duì)中等振動(dòng)因素產(chǎn)生。

振動(dòng)出現(xiàn)在機(jī)組解列停機(jī)過程中，發(fā)電機(jī)無勵(lì)磁電流電壓，可排除發(fā)電機(jī)磁場導(dǎo)致振動(dòng)；另轉(zhuǎn)子共振一般是由外部傳入為主，比如發(fā)電機(jī)底腳失穩(wěn)或發(fā)電機(jī)殼體振動(dòng)嚴(yán)重，基于以上異常均不存在，所以本案例首先排除外部原因引起轉(zhuǎn)子共振。為檢查轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起一倍頻振動(dòng)，特別該機(jī)組在軸振出現(xiàn)前剛進(jìn)行的勵(lì)磁機(jī)檢修，所以在聯(lián)軸器靠背輪、發(fā)電機(jī)機(jī)端、發(fā)電機(jī)磁端分別進(jìn)行多次增加配重塊動(dòng)平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見下表）是一倍頻雖稍有下降，從原來140μm降低到110μm，但二倍頻增量不變，基本排除了動(dòng)平衡這一振動(dòng)因素。隨后，又對(duì)聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行對(duì)中檢查并開機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)中后試運(yùn)行4#、3#軸振動(dòng)并無改善，瓦振和軸振的一倍頻、二倍頻振動(dòng)值依舊，反而增大了其他軸的各振動(dòng)值。所以最后把振動(dòng)原因鎖定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子或聯(lián)軸器裂紋造成剛性不對(duì)稱。 

4、檢查與處理

在對(duì)發(fā)電機(jī)、聯(lián)軸器解體金屬探傷檢查中，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的發(fā)電機(jī)端靠背輪內(nèi)側(cè)裂紋多（見下圖），1#～3#螺栓之間共有3道裂紋，分別長30mm、80mm、120mm，3#～9#螺栓之間一道裂紋，長610mm，9#～10#之間一道裂紋，長50mm,蘭裂紋深度進(jìn)行超聲波定位，檢測數(shù)據(jù)：1#～2#螺栓之間缺陷深度為24～30mm；2#～3#螺栓之間缺陷深度為26～28mm；3#～8#螺栓之間缺陷深度為16～20mm；8#～9#螺栓之間缺陷深度為28；9#～10#螺栓之間缺陷深度為18mm。聯(lián)軸器裂紋嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)，在未移動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和殼體基礎(chǔ)的前提下，拆除負(fù)荷間頂?shù)跞肼?lián)軸器，更換了新聯(lián)軸器。更換結(jié)束后，燃機(jī)運(yùn)行開機(jī)，各軸承的軸振和瓦振數(shù)據(jù)正常，瓦振小于6mm/s，軸振小于50μm。舊聯(lián)軸器裂紋產(chǎn)生原因需待進(jìn)一步金屬分析。    

5、結(jié)語

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的振動(dòng)原因很多，案例也很多，機(jī)組單一軸承振動(dòng)或單一振動(dòng)倍頻故障，由于鎖定了主要問題，故障比較容易判斷；當(dāng)多個(gè)軸承或多個(gè)倍頻同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，振動(dòng)的主次、首出比較難確定，原因分析較復(fù)雜，需要系統(tǒng)性的通過原因分析、排查、假定、判斷，逐步診斷出振動(dòng)原因。在處理過程中，特別需要重視缺陷排查的方式方法，避免有遺漏項(xiàng)或排查結(jié)果欠準(zhǔn)確性而重復(fù)排查，有時(shí)候最不可能的原因，往往又是故障真正的原因，有時(shí)候最小的異常，往往也是事件的最初起因。本案例處理過程中在聯(lián)軸器靠背輪對(duì)中檢查時(shí)，采用傳統(tǒng)百分表讀取靠背輪端面數(shù)據(jù)時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)端面瓢偏比較大，反饋給機(jī)組制造廠，但大家都沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以并沒有深入推斷，事后才分析出由于裂紋就在靠背輪端面內(nèi)側(cè)，在靠背輪連接螺栓拉伸力作用下，引起斷面的瓢偏。案例中，當(dāng)轉(zhuǎn)子或聯(lián)軸器有裂紋產(chǎn)生的二倍頻，無法通過動(dòng)平衡試驗(yàn)或?qū)χ姓{(diào)整進(jìn)行消除，即使采取措施降低了振動(dòng)一倍頻分量，二倍頻振動(dòng)值依然無明顯變化，甚至不可能降低，查找產(chǎn)生二倍頻的振動(dòng)因素是本案例故障分析的關(guān)鍵。