100 MW汽轮机突发振动故障分析与处理！

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摘 要： 针对某自备热电厂一起汽轮机突发振动故障,通过故障现象、振动趋势和振动频谱分析,确认突发故障是由叶片断裂引起,并进一步分析了叶片断裂的原因。根据汽轮机需要尽快恢复生产的现状,通过方案对比,选定叶片对称割短的处理方案,方案实施后取得了良好的效果。

关键词： 汽轮机 突发振动 轴振 故障

某自备热电厂5号汽轮发电机组为公司级关键机组,于2002年投入运行;2009年因事故更新汽轮机低压转子,同年11月投入运行;2017年9月6日在运行中,机组突然发出一声闷响,然后各道轴承振动上升,但未达到跳机值。紧急减负荷后振动未下降,减负荷至零,各道轴承振动仍维持在高位,手动停机。由于该机组是公司主力机组,对生产影响较大,且锅炉侧的6号锅炉需要尽快停炉进行达标排放改造,对5号机组在停机后进一步准确分析和尽快处理故障十分重要,因此针对该故障做了详细分析,并制定最快、最有效的处理方案。

1 5号汽轮机简介

5号汽轮机型号为CC100-8.83/3.8/1.47,进汽温度为535 ℃,额定转速为3 000 r/min,有两段调整抽汽(中压3.8 MPa,低压1.4 MPa)作为对外供热汽源,发电机型号为QF2-125-2。机组轴系由汽轮机高中压转子、低压转子、发电机转子及5个支撑轴承组成,其中高中压转子与低压转子连接处共用一个支撑轴承,支点在高中压转子上,3#、4#轴承共用一个轴承箱。高中压转子与低压转子之间采用刚性连接,低压转子与发电机转子之间采用半挠性波纹节联轴器连接。高中压转子为整段转子,其通流部分具有3级调节级和21级压力级动叶片;低压转子为焊接结构,由2×6双流压力级组成。

机组配备了一套VM600系统,包含轴振、轴位移、相对膨胀、绝对膨胀、键相、偏心等的测量、显示、报警输出等。每道轴承沿径向在上半轴承座上安装两个电涡流传感器探头,用于测量轴振动(轴振),两只探头间夹角为90°。根据轴承编号将两个探头测得的振动进行编号,比如1#轴承的两个方向轴振分别表示为1X、1Y。利用VM600系统的输出,另外配置一套关键机组在线监测系统S8000,主要任务是完成机组振动信号与过程信号的数据采集、分析及网络接口功能。监测系统主机安装在机组的电子室里,并可以通过工厂内局域网络与服务器、浏览分站构成一个完整的在线状态监测与分析系统。管理人员可以通过局域网内任意一台计算机访问“关键机组状态监测管理系统”网站,完成对监测系统访问和信息浏览。

2 机组故障情况

2017年9月6日21∶36,5号机组的电负荷为42 MW,中压抽汽出系状态,低压抽汽流量85 t/h,相对真空度为-90.9 kPa,主蒸汽温度535 ℃、压力8.8 MPa,此时无热、电负荷或其他参数的调节。数字电液控制(DEH)系统显示机组各轴承振动正常;机组各轴承金属温度、回油温度、推力轴承温度正常;机组差胀、轴向位移正常。21∶37,5号机组发出异响,DEH系统显示所有轴振均上升,其中轴振2Y、3X、3Y、4Y超过报警值(127 μm),但未达到跳机值(254 μm),而1#、5#轴承振动的上升幅度较小。现场测量轴承座振动(轴振),也出现大幅上升(见表1),紧急减电负荷到零,就地测量轴承座3个方向上的瓦振(见表2),发现瓦振仍然超标(标准为50 μm),因此采取手动的方式停机。

表1 机组故障前后各轴振变化情况

表2 机组故障前后各瓦振变化情况

注：⊙为轴向振动,测量点在轴承座中分面处;→为横向振动,测量点在轴承座中分面对应轴瓦中心线处;⊥为垂直振动,测量点在轴承座顶部中间处。

3 机组故障分析

3.1 故障现象分析

发生故障时5号机组的主蒸汽压力、流量,热负荷、电负荷以及凝汽器真空等参数稳定。DEH系统显示各机组轴承振动正常;机组各轴承金属温度、润滑油温度正常;机组差胀、轴向位移正常,均无明显变化。另外,经查阅分散控制系统(DCS)和DEH系统,运行人员此时没有发出调节类操作指令。结合控制室内运行人员听到的异响,以及随后的各轴承振动剧烈上升,判断机组发生了突发事件。

现场对汽轮机和发电机进行检查,未发现明显部件损坏或脱落,但实测各轴承座振动均呈现上升。以上现象符合转子上部件脱落或断裂的特征,但还不能确认,也可能是静子部件脱落碰擦到转子。查阅5号机组档案,曾出现过低压缸(靠近3#轴承)第6级隔板(右旋)中分面挂耳脱落,隔板整体下沉,汽封齿与转子表面发生摩擦的故障。因此需要对轴承振动进行详细分析。

3.2 振动趋势分析

根据振动趋势分析,所有轴承轴振均在21∶37∶46出现同步上升,部分轴振剧烈上升,并超过报警值,验证了机组在这一个瞬间出现了突然的变化,且是轴系的某个位置出现了变化。对照表1,仔细分析各道轴振上升程度,发现2#、3#轴承振动上升更为剧烈,特别是轴振2Y、3X、3Y,数值已是故障前的3～4倍,判断故障点的位置在靠近3#轴承的汽轮机转子上。

在S8000系统中调取机组发生故障、减负荷直至停机前的各轴振数据,发现几乎所有轴振均呈现出稳定在高位的特征,轴振未再剧烈扩大,也未随负荷降低而降低。机组解列转速发生变化后,各轴振才发生变化,但均较平时正常停机时轴振数据大。这说明轴振与转速强相关,且故障点未再发展。初步判断低压转子靠近3#轴承的叶片发生了断裂故障,也符合叶片断裂故障时汽轮机内部或凝汽器内有突发异响的特征[1]。

如果是静子部件脱落或下沉摩擦转子引起的振动,由于摩擦会产生热量,一般还会造成转子变形,进一步加大转子弯曲产生的不平衡量,振动会持续增大。因此可以初步排除静子部件脱落碰擦转子的可能。

3.3 振动频谱分析

选取轴振2Y、3X、3Y的频谱图进行分析,发现在故障前后,轴振上升最大的2Y、3X、3Y的工频剧烈增加,工频分量占比极大,超过95%,并且工频以外的其他倍频很不明显。这不符合运行中动静碰磨的典型特征,即转子热弯曲振动以工频为主,并含有明显的多倍频等高阶分量,因此进一步排除了因为静子部件脱落造成的动静碰磨情况。相反,在工作转速下存在较大的工频振动,在排除了其他因素引起的振动后,就可以诊断振动过大是由于转子不平衡引起的[2]。因此这台机组转子的不平衡是叶片断裂脱落引起。

综合以上分析,判断汽轮机发生了叶片断裂故障,且是低压转子靠近发电机侧的叶片发生了断裂。为了确认叶片断裂的具体情况,9月8日从凝汽器汽侧人孔进入低压排汽缸内观察仍在盘车中的汽轮机低压转子,发现发电机侧末级叶片断裂了一片,随后决定打开低压缸进行处理。9月12日低压缸开缸,检查叶片断裂长度约为210 mm,相邻一片顶部出现弯曲,估计是断裂的叶片脱落时碰擦造成的。

3.4 叶片断裂原因分析

该机组为调整抽汽供热机组,经末级叶片排入凝汽器的蒸汽量除与电负荷有关外,还与热负荷(即调整抽汽量)有关,因此,末级叶片的运行工况变化较大。另外该机组低压缸设计有较高的内效率,末级叶片处蒸汽湿度较大,为此末级叶片背面做了约220 mm的硬化处理。此前一次大修中已发现末级叶片存在明显的水蚀现象,特别是在叶片经硬化处理与未做处理交界处有明显的深入叶片内侧的缺口,深度甚至超过了20 mm。

叶片缺口位置是叶片的薄弱环节,为此在机组运行中采取了控制机组热负荷与电负荷的方式,尽量避免低电负荷而高热负荷的情况,同时在大修时对叶片做了测频,所有叶片频率均合格。尽管存在缺口,但经过计算,缺口处截面的强度仍远远超过了叶片上部离心力产生的破坏力。因此,判断叶片断裂的原因要从叶片断面处分析。

叶片断裂面在靠近缺口的一段较为平滑,该处叶片较厚;断面自缺口至叶片三分之一处存在明显的贝壳状弧线;再往后断面较齐整,但是表面粗糙,叶片也较薄。判断叶片断裂在缺口处开始,分析认为叶片缺口处水蚀的粗糙表面产生了微裂纹,微裂纹向叶片内部深入,逐步扩展为裂纹。由于叶片运行中的振动及叶顶离心力的作用,该裂纹缓慢发展,形成的断口也较光滑。随着裂纹的发展,裂纹处强度下降,叶片顶部振动变为摆动,断面贝壳状弧线因此产生[3]。当裂纹继续扩展,且由于叶片远离缺口一侧厚度较小,强度下降明显,叶片产生断裂,并碰到隔壁的叶片致使其变形。最后部分断面在方向上产生偏转,断面较齐整且粗糙,符合金属材料拉断的特征。

通过上述分析,如果没有裂纹出现,即便叶片上有明显的缺口,也不会造成叶片断裂。

4 机组叶片断裂处理方案选择

考虑到该厂生产实际以及其他锅炉达标排放改造的时间紧急,同时按计划5号机组将在两个多月后进行开缸大修,因此故障处理需要越快越好,处理方案还需保证在大修前的两个多月内能够稳定运行。

由于没有备用叶片,因此全周更换叶片已无可能。如果将低压转子吊出汽缸处理,无论什么方案都能使施工更加方便,但是转子在放回汽缸后,由于高中压缸未开缸且发电机转子也不检修,轴系校中心将是一件十分费时的事情,因此决定选择低压转子在汽缸内就地处理,同时各转子间的联轴器均不拆开。结合此类故障处理的经验,经咨询业内专家并邀请制造厂一起讨论,确认叶片对称割短和全周叶片割短两种方案均能满足需要。

4.1 方案一：叶片对称割短

当汽轮机转子发生单个或两个叶片断裂时,行业内常常将断裂叶片对称位置的叶片割短,同时严格控制割短的尺寸,两侧保持一致。由于断裂及割掉的叶片质量较低压转子整体质量小,且是对称割短,而汽轮发电机组转速(3 000 r/min)不高,因此,可以做到现场处理而不进行转子动平衡,能够以最快的速度完成抢修。缺点是存在启动后振动大的风险,且抢修完成启动后其他末级叶片仍存在断裂的可能。

4.2 方案二：全周叶片割短

由于末级叶片都存在水蚀的现象,每一片叶片都存在再次断裂的风险,因此可以将左右两侧末级叶片全部割短。割短长度与方案一相同,由制造厂计算出数值,在现场人工逐片割短。该方案可以解决启动后末级叶片再次断裂的风险,也能满足低压转子不吊出汽缸的要求。缺点是现场工作量大,抢修时间长;启动后机组效率会明显下降;现场割短如此多的叶片,很难保证各叶片长度一致,轴承振动异常的风险较方案一大,很难保证机组轴承振动正常。尽管该机组可以进行现场动平衡,但是加平衡块位置狭小,且要持续较长时间。

4.3 方案比较与确定

两个方案都有优缺点,相比之下方案一更能满足尽快抢修完成的时间要求,而方案二更能满足投运后叶片不再断裂的安全要求。同时,方案二比方案一增加了投运后轴承振动的可能,将再次增加处理的时间。即便是两个方案实施后都存在轴承振动的问题,方案二因为全周叶片割短,其振动不平衡位置的寻找也较方案一困难。因此,方案一在目前的情况下更合适,且有较高的缸效率,重点是要采取措施保证机组投运后,在两个多月中不再出现叶片断裂。

分析此次叶片断裂的过程,结合制造厂的计算,尽管在叶片上存在缺口和薄弱环节,但是缺口处叶片强度仍能保证运行中缺口至叶顶之间叶片产生的离心力。因此只要叶片上不存在裂纹,且叶片自身频率不在共振频率范围内,就可以保证较短时间内叶片不再断裂。因此需要对低压转子末级叶片全部做着色检测,以确保叶片没有表面裂纹;对所有叶片进行静频测试,断裂叶片之外的其余叶片频率未落入共振频率范围即为安全。然后对已割短的叶片也进行测频,如果其频率也不在共振范围内,则已割短的叶片也是安全的。由于断裂叶片相邻一片叶片顶部有弯曲现象,故将该叶片和圆周方向对称的叶片也进行割短处理,割短长度同断裂叶片一致。叶片割短的长度由制造厂计算得出,现场施工时要严格控制割短叶片的尺寸,使其完全一致。

4.4 叶片现场处理及效果

方案确认后,由原制造厂计算出叶片割短至450 mm,采用砂轮机切断叶片,然后打磨修正至制造厂所要求的尺寸。包括断裂叶片在内,对称割短4片叶片,测得割短后的叶片频率为190 Hz,符合厂家对叶片频率的要求。机组重新启动并网发电,各轴承振动均在合格范围内,相比故障发生前变化不大,直至5号机组大修前,机组振动保持稳定,未发生任何故障。

5 结语

经过对汽轮机组突发振动的分析,得出故障由叶片断裂引起。面对快速抢修的实际需要,列出可以最快处理的方案,对比可选方案的优缺点,做出针对性的最优方案。最终采用对称叶片割短的方案处理了该突发振动故障,实施后取得了良好的效果,为类似事故分析与处理提供了方法与经验。

范文军

中国石化上海石油化工股份有限公司

“十四五”收官与“十五五”开局之际，石化化工行业正处于转型升级、爬坡过坎的关键时期。安全生产治本攻坚三年行动深入推进，《加力推进石化化工行业老旧装置更新改造行动方案（2026—2029年）》明确提出，到2029年，各地2025年已确定的更新改造任务全面完成，2026年后新确定的更新改造任务按计划推进，老旧装置安全环境风险大幅降低，减污降碳协同取得积极成效，智能化、绿色化水平大幅提高。

石化设备安全运维是保障行业“安稳长满优”运行的生命线，设备检维修管理与安全运维技术的创新突破，事关行业本质安全与高质量发展大局。为推动我国石化企业设备管理与“智慧+预知性维修”深度融合，加快构建现代化石化产业智慧运维体系，搭建行业全产业链交流合作平台，经研究，中国石油和石化工程研究会联合相关单位定于2026年11月4-6日在安徽合肥召开“2026年（第十二届）石化设备安全运维管理与检维修技术交流会”（CNOPEC 2026）。

现将本次会议有关事项通知如下：

主办单位：

中国石油和石化工程研究会

协办单位：

中石研石化设备运维专家服务（中心）专业委员会

中国建筑业协会石化建设分会

中机维协石油石化建安检维修分会

青岛石化检修安装工程有限责任公司

恩纳湃克（江苏）工业设备有限公司

会务承办：

金鼎安科石化技术服务（北京）有限公司

报到时间：2026年11月4日

会议时间：2026年11月5日—6日

会议地点：安徽合肥（详见报到通知）

11月5日：开幕式及全体大会，特邀院士、领导、专家演讲；

11月6日：技术成果专题（上午）

分论坛一：石化转动设备升级改造和数智化运维成果；

分论坛二：石化设备安全运维创新成果应用案例分享。

1.国内外石化装置长周期运行发展现状与展望；

2.石化设备全生命周期运维管理和“智慧+预知性维修”应用成果；

3.《加力推进石化化工行业老旧装置更新改造行动方案（2026—2029年）》政策解读与落地实践；

4.安全生产治本攻坚三年行动深入推进与设备安全管理体系建设；

5.老旧装置超设计使用年限服役承压设备管理对策与思考；

6.大型石化企业设备健康管理探索与实践；

7.天然气地面工程和关键设备智能安全运维技术创新；

8.特种机泵：螺杆机、压缩机、离心泵、屏蔽泵等检修运维技术；

9.石油化工装置、管道管廊、罐区腐蚀防护与隔热保温；

10.液压工具、法兰扭矩及法兰连接完整性管理；

11.设备润滑油选用和智能润滑技术成果；

12.石化企业装置零泄漏密封技术（机械密封、干气密封、垫片等）；

13.石化企业大型装置、厂区管廊运维数字化转型、无人化升级方案，原油储罐安全预警、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、巡检机器人、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；

14.现场仪表、控制阀、泄压阀、安全阀、阻火器、过程分析仪表、DCS、FCS等检修运维技术；

15.石化企业控制系统、关键设备国产化进展；

16.大型机组备品配件国产化、核心部件修复、再制造成果分享；

17.AI驱动预测性维护、数字孪生、工业互联网在石化设备运维中的创新应用；

18.石化罐区系统安全与VOCs一体化风险管控技术；

19.石油化工电气、仪表设备全生命周期管理与智能化升级。

20.石化特殊工况高端阀门安全节能改造、修复和检维修创新应用；

21.石化企业运维检修新技术、新工艺、新方案等国产化技术应用。

油气田、管道管网、炼油、石化、煤化工、化工、精细化工、新材料、磷化工、医药化工、储运码头等企业设备管理部门领导、专家及相关技术负责人；科研院所、高等院校；智慧运维、设备预知性维护、故障诊断、建安检维修、设备制造等企业代表；以及各级政府部门、行业协会、咨询评估机构、老旧设备风险评估服务机构等相关人士。

（2025年会议现场）

各有关单位：

当前正处于“十五五”开局起步的关键阶段，石油化工行业正处在能源结构深刻变革与数字化转型的关键交汇期。电气系统作为石化生产的“动力心脏”与“神经中枢”，其安全、稳定、高效、智能运行是企业实现“双碳”目标、构筑新型电力系统、推动高质量发展的基石。面对风电、光伏、氢能等新能源的大规模接入，以及老旧装置安全、能效提升的迫切需求，石化电气技术正朝着数字化、智能化、绿色化的方向加速演进。

为搭建产、学、研、用协同创新的高水平交流平台，深入探讨新质生产力驱动下石化电气技术的创新路径，中国化工学会将于2026年9月16-18日在陕西西安组织召开“2026年（第六届）石油化工企业电气技术创新发展大会暨新型智慧电网与电氢储多能源融合成果展示会”。

欢迎关注本次会议信息并积极参会。

一、大会主题

新质生产力源动力——推动石油石化电气技术与新型电力系统深度融合

二、主办单位

中国化工学会

三、承办单位

盛融华创（北京）能源科技发展有限公司

四、会议时间及地点

时间：2026年9月16-18日（16日报到）

地点：陕西西安（详见报到通知）

五、会议主要交流内容

（一）政策解读与行业趋势

1 .“双碳”目标下国家及地方能源政策、石化行业绿色转型政策导向与电气技术创新要求；

2.《加力推进石化化工行业老旧装置更新改造行动方案（2026-2029年）》中电气设备更新改造要求解读；

3. 新型电力系统构建对石化行业电气技术的机遇与挑战；

4. 氢能、储能等新能源产业发展规划与石化行业融合应用前景。

（二）新型电力系统建设与新能源耦合

1. 新能源（风电、光伏）大规模接入对石化电力系统安全运行带来的挑战；

2. 新能源微网融合在石化企业的增效应用；

3. 石化行业再电气化发展与新型电力系统建设实践；

4. 储能技术在石化企业“源网荷储”协同中的应用。

（三）电气设备安全与智能运维

1. 石化行业高压电气系统智能化升级与故障预警技术；

2. 变电站运行与管理、无人值守、云配电、智能用电技术应用；

3. 防雷防静电接地设计、在线监测、防雷预警装置及应用技术；

4. 抗晃电与电压暂降管理、不间断供电技术与储能方法；

5. 防爆电气设备最新标准与选用、智能化解决方案；

6. 高效节能电力电缆产品及绝缘管型母线新技术；

7. 全景感知技术在石油化工企业电气设备检修领域应用；

8. 数字化、智能化技术在石化电气运维中的实践应用（AI巡检、数字孪生等）。

（四）节能降碳与能效提升

1. 石化企业电气系统节能改造与能效提升方案；

2. 变频调速技术、调峰方法在石化行业的创新应用；

3. 企业电能质量管理、继电保护优化方案；

4. 石化企业电气系统低碳转型路径与实践策略。

（五）设备选型与国产化

1. 高压开关设备、智能开关柜的高可靠性要求及选型；

2. 智能UPS应急电源、UTS不间断切换开关的选用；

3. 高效节能电力电缆产品及绝缘管型母线新技术；

4. 石化企业电气设备国产化替代与供应链安全保障。

（六）新技术新装备展示

“电气技术创新成果展示区”——集中展示高端化、智能化、绿色化电气新技术、新装备、新材料，欢迎各企业积极参展。

六、会议安排

9月16日：大会报到

9月17日：开幕式及全天大会

9月18日：技术宣讲

七、参会人员

大会诚挚邀请中国石油、中国石化、中国海油、国家管网、国家电网、南方电网、中国大唐、国家能源、中国中化、中国航油、延长石油等行业电气领域知名专家、技术负责人，针对热点、难点话题，新政策、新标准、新方案、新技术等做技术交流和成果分享。