转子材料缺陷引起的振动问题分析

汽轮发电机组转子材质缺陷引起的振动问题分析0前言锻件毛坯质量对于保证加工后的汽轮发电机组转子安全稳定运行极为重要。

当制造厂出厂的转子材料存在明显的组织不均匀或残余内应力过大时，机组运行中就会发生转子热弯曲或永久弯曲，造成振动增大及波动，甚至振动超过限值引起机组跳机，对机组的安全运行构成严重威胁。

目前国内生产的大型汽轮发电机组转子的锻件毛胚大多从日本、意大利等工业发达国家进口，还有一些由国内一重和二重提供。

随着国内外合金钢冶炼技术和锻压技术的提高，总体而言这些进口及国内生产的转子锻件毛坯质量较好，但由于锻件设备生产周期短、质量控制不严等原因，仍有极个别的转子锻件毛坯材质出现质量问题。

如果汽轮发电机组制造厂转子毛坯进货把关出现漏洞，或没有进行相关的退应力热处理试验时，这些问题锻件毛坯加工后的转子在运行中会出现不稳定振动问题，有时在现场无法处理，严重影响机组安全稳定运行，给发电用户造成很大的经济损失。

本文将着重对转子锻件毛坯缺陷引起的振动机理、振动特点进行阐述,并给出近年在国内电厂发生的三个与转子材质缺陷有关的振动分析和处理实例予以说明。

1材质缺陷转子引起的振动机理和特点1.1转轴材质不均匀转子材质不均匀是指转子锻件内部存在气隙、夹杂、鼓泡等因素形成转子径向纤维组织不均匀，使材料的物理特性存在各相异性。

这类问题通常是在锻件生产和热处理过程中的缺陷引起的。

在机组运行中当材质各项异性的转子受热以后，转轴将会产生不均匀的轴向或径向膨胀，引起转子出现热弯曲，即热态下转子的质心较冷态时发生变化，引起不平衡振动。

该不平衡振动的大小与转子的受热状态有直接的关系。

由于汽轮机工作环境温度较高，如果转子材质存在组织不均匀缺陷，相比发电机转子，则弯曲量可能更大，对振动的影响也更显著。

这类材质缺陷问题引发的振动特点通常与大多数热弯曲转子呈现的一样，冷态（空载）振动不大，带负荷后，当转子温度达到一定数值后，振动开始爬升，严重时超过限值引发跳机。

振动高位时立即停机惰走通过转子一阶临界转速时的振动较冷态启动时增大许多，低转速时转子晃度也比冷态启动时增大许多。

当机组降负荷或解列后，转子温度降低，振动一般也随之减小，当然振动的较小与降负荷过程有一定的时间滞后。

1.2转轴残余内应力过大转子毛坯在锻压过程中在其内部会产生很大的残余应力。

通常情况下毛坯锻件应堆放在室外较长一段时间进行自然时效来释放内应力，或在恒温炉中进行去除应力的热处理试验，保证锻件内的残余内应力降至合理的水平，然后再对其进行机械加工制成转子成品。

如果锻件毛坯的时效时间不够，或未进行去除应力的热处理试验及去除应力热处理试验工艺不当时，则该锻件毛坯加工后的转子残留的内应力在机组运行过程中将不断释放，造成转子发生永久弯曲进而引发强烈振动。

转子弯曲量大小与其残余内应力释放过程有关，造成振动的爬升与机组运行的时间及转子温度都有一定关系。

通常情况下，工作转速下的振动随运行时间是逐渐爬升的，但当转轴弯曲量达到一定程度后，也会造成启、停机通过转子一阶临界转速时的振动显著增大。

而且因转子在运行时内应力的释放需一段时间过程，在某个阶段转子弯曲产生的振动值可能已经超限引起机组跳机，故在现场很难根据振动数值大小确定转子残余内应力是否已经释放完毕。

不像材质不均匀转子在运行中产生的是转子热弯曲，其在冷态下振动一般都会逐渐恢复到原始值附近，如空载或冷态启动过一阶临界转速时振动基本保持不变，而残余内应力过大的转子在运行中产生的则是永久弯曲，会引起冷态和热态振动同时增大，包括启、停机通过临界转速时的振动。

当转子发生严重动静碰摩和进水等故障时，转轴可能也会出现永久弯曲，特别是高中压转子，在转轴上也会残留较大的内应力。

该内应力是转轴摩擦、进水造成局部受热不均匀后轴的变形量超过材料的屈服极限下形成的，与毛坯锻件残留的内应力引起的弯曲有所不同，可以通过弯曲转子去应力热处理来进行二者的区分。

根据相关资料，通过对因摩擦和进水引起的弯曲转子进行去应力处理，将消除部分内应力，通常最大弯曲部位的弯曲量会下降20％～30％，其弯曲下降量与材料特性、转子结构尺寸、回火温度等有关。

而对因残余内应力过大引起的弯曲转子经过去除应力热处理后，弯曲量会出现一定程度的增大现象，增大量仍在该弯曲方向上。

2现场实例分析2.1某330MW机组发电机转子因材质不均匀引起热弯曲造成的振动２.１.１振动特点该机组在2005年7月在新机试运过程中，当有功负荷超过180MW时，多次出现发电机轴承处轴振显著增大现象，前轴承处轴振由40µm左右增加到100µm以上，后轴承处轴振由80µm增加到120µm以上，最大超过150µm，引起机组跳机，无法进入168h试运。

从振动频谱看，振动基本都是基频分量。

机组定速到带负荷初期，振动相位有一定变化，但负荷超过180MW后，相位则稳定在某一固定数值。

振动与发电机冷氢温度大小基本没有关系。

制造厂进行动态匝间短路试验，未发现异常。

２.１.２振动诊断与处理过程由于机组空载和带较小负荷运行时，发电机两轴承处轴振动较小，且冷态启动通过发电机一阶临界转速时振动很小，说明转子平衡状态较好。

但大负荷工况运行后振动增加较快，且振动增大后，机组快速解列停机降速通过发电机临界转速时振动较冷态启动时有明显放大，表明转子发生了热不平衡。

因振动是在某个负荷以上才出现的，且振动与冷氢温度无关及发电机无短路现象，可以排除通常情况下的因局部短路造成的转子受热不均、冷却系统受堵导致转子冷却不均而引发发电机转子热弯曲的可能性，而不能排除的是转子内摩擦力不均和材质特性不均引起的热弯曲。

因考虑到该发电机转子毛坯从日本进口，通常认为转子锻件材质不会出现问题，故当时把注意力主要放到转子内摩擦力不均方面。

2005年8月下旬转子第一次返制造厂进行检查。

据制造厂介绍，该转子绕组端部端环与中心环之间在轴向应有的设计3mm的间隙实测基本为零，他们认为机组运行中随着负荷（有功、无功）的增大，转子电流增加，转子绕组受热后轴向膨胀受阻，膨胀力直接传递给护环，导致护环偏向，造成转子热不平衡，进而引发振动。

随后制造厂配车端环，使轴向膨胀间隙4mm，更换护环绝缘、中心环支撑弹簧以及汽、励两端端部2～3根楔下滑移垫条，修配端部垫块等。

9月中旬，发电机转子返回电厂回装后启机，机组带180MW负荷后，振动又明显增大，现象与以前相同。

由此可见，振动不是由转子内摩擦力不均因素引起的。

由于现场无法控制振动，9月底该发电机转子再次返回制造厂。

这次制造厂对转子做了更详细的检查，但没有发现明显疑点。

后来怀疑转子材质方面可能存在问题，遂将所有绕组、槽楔等从转子本体上取下，仅剩光轴，并对其加热，在转子台上进行振动测试。

结果发现冷态和加热后的转子振动显著不同，热态下振动明显增大，表明该转子材质存在各项异性现象，造成运行中热弯曲。

最后制造厂装配绕组、槽楔等，并在转子台上对该转子进行热平衡。

11月转子返电厂回装后机组启动中，定速空载时发电机轴承处轴振动较以前增大，但随着机组带大负荷运行，振动逐渐降低，额定负荷时两轴承处轴振动均在合格水平，并完成168h试运。

2.2某超临界600MW机组低压转子残余内应力过大引起弯曲造成的振动２.２.１振动特点及检查情况机组于2006年1月投入商业运行。

该自调试阶段起，低压Ⅱ转子#5、#6轴承轴振就不稳定，有爬升现象，振动相位持续变化，但在2月8日以前的各次启、停机过程通过低压转子临界转速（1150~1170r/min）时振动很小。

２００６年３月１８日机组检修后启机，定速３０００ｒ／ｍｉｎ时，＃６轴承轴振为８０μｍ左右，并网带负荷期间振动基本稳定。

３月２０日振动开始逐渐爬升，３月２１日４０１ＭＷ时，＃５、＃６轴承最大轴振已分别达１２０μｍ和１４０μｍ左右，瓦振分别达３０μｍ和５５μｍ左右。

３月２４日机组调停，停机过低压临界转速时，＃５、＃６轴承轴振均超过３００μｍ，瓦振超过２００μｍ。

３月２４日开始的停机检修中，对＃５、＃６轴承的４个浮动油档进行检查，发现除上半部环型件略有轻微碰磨痕迹外，其余均正常。

测量＃６轴承靠近轴颈处转子的晃度４０μｍ左右，较安装时原始值增大。

３月２９日又进行冷态启机，通过低压转子一阶临界转速时，＃５、＃６轴承振动很大，最大轴振分别为２４０μｍ和２０３μｍ，瓦振分别为１５２μｍ和１４８μｍ。

刚定速３０００ｒ／ｍｉｎ时，＃６轴承最大轴振和瓦振分别为１５０μｍ和９０μｍ左右，＃５轴承最大轴振和瓦振分别为１１５μｍ和３０μｍ左右。

停机过程通过低压转子临界转速时，＃５、＃６轴承最大轴振分别为２７４μｍ和２５０μｍ，瓦振分别为１８０μｍ和１８４μｍ。

表明低压Ⅱ转子存在很大的一阶质量不平衡。

低压Ⅱ转子要产生如此大的一阶质量不平衡通常应具备下列两个条件之一。

一是转子存在一定程度的永久弯曲，二是转子上有较大质量的转动部件脱落。

如果是第二种情况，工作转速下的振动会出现幅值或相位的突变，但从相关的振动趋势图上看并没有发现这种现象。

由于不平衡质量很大，在现场尝试在低压Ⅱ转子上加重无效的情况下，现场进行揭缸检查。

检查发现２号低压缸＃１内缸（包括静叶持环）与低压Ⅱ转子发生较为严重的径向碰磨，转子上出现整周发蓝碰磨的痕迹，内缸磨损主要产生在顶部和底部，内缸（及静叶持环）汽封齿及阻汽齿左右方向基本上没有发生碰磨情况，表明上、下缸存在变形现象。

测量低压Ⅱ转子晃度发现，该转子发生了较严重的弯曲，最大弯曲位置在后半缸第４级轮缘处，弯曲量０．１３５ｍｍ。

该低压Ⅱ转子原始锻件是由日本进口，其在日本完成下料、锻造、热处理、探伤、粗加工，到国内制造厂后进行复检精加工、装动叶片、做动平衡。

２.２.２振动数据分析后仔细分析ＴＤＭ系统记录的历史数据发现，尽管２００６年２月上、中旬＃５、＃６轴承振动较小，但振动相位变化较大。

与２月７日３００ＭＷ工况下的数据相比，２月２８日６１０ＭＷ工况下＃５、＃６轴承Ｘ、Ｙ向轴振相位分别变化７３、８６和６５、６８，瓦振相位分别变化６５和８０；３月２１日５００ＭＷ工况时振动显著增大，且＃５、＃６轴承Ｘ、Ｙ向轴振相位分别变化１５６、１９０和８１、９７，瓦振相位分别变化１３３和２１５。

将２月５日及以前机组启、停机振动数据与３月７日停机过程、３月１８日机组启、停机过程、３月２１日机组启机和３月２４日停机过程以及３月２９日启机过程振动数据作对比，发现过低压转子临界转速时的振动明显增大，且３月２４日停机振动明显高于３月２１日启机振动。

此外，３月７日以后所有机组启、停机过程通过低压临界转速时，＃５、＃６轴承振动相位基本稳定，Ｘ、Ｙ向轴振相位分别为１１５、１３０和２１５、２２５，瓦振分别为１６０、１７０，而２月５日及以前启、停机过程相应的Ｘ、Ｙ向轴振相位分别为３０４、３３６和３５、６３，瓦振分别为２４９、２６８，Ｘ、Ｙ向轴振相位分别变化１８９、２０６和１８０、１６２，瓦振相位分别变化８９和９８。