風(fēng)機(jī)軸向竄動(dòng)突增原因分析

       大唐某發(fā)電公司裝機(jī)容量為2×600MW機(jī)組，采用正壓直吹制粉系統(tǒng)。一次風(fēng)機(jī)采用的是G9—2×36No17F22雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)，在2005年9月突然發(fā)現(xiàn)No42一次風(fēng)機(jī)有嚴(yán)重的串軸現(xiàn)象，此前風(fēng)機(jī)振動(dòng)雖然呈緩慢上長(zhǎng)趨勢(shì)但沒(méi)有串軸現(xiàn)象。鑒于以住情況，分析可能是葉片產(chǎn)生裂紋或入口擋板葉片松動(dòng)。 2003年5月份本臺(tái)風(fēng)機(jī)也因振動(dòng)超標(biāo)，檢查發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)氣側(cè)與中盤焊縫熱影響區(qū)一片葉片有長(zhǎng)約210mm裂紋?，F(xiàn)葉輪為更換過(guò)葉輪及轉(zhuǎn)子組件，但當(dāng)時(shí)情況僅是振動(dòng)超標(biāo)沒(méi)有發(fā)生串軸現(xiàn)象?？紤]到風(fēng)機(jī)振動(dòng)呈上長(zhǎng)趨勢(shì)及串軸現(xiàn)象，利用低負(fù)荷時(shí)停風(fēng)機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)雙膜片彈性聯(lián)軸器膜片損壞，葉輪外盤在葉片根部有3條裂紋，裂紋首先發(fā)生在葉片進(jìn)口端與外盤焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)。起始裂紋的擴(kuò)展方向與外盤和葉片的焊縫方向并不平行，而是以一定角度向葉片母材方向傾斜，并呈半橢圓形狀向葉片的外緣引伸。

       1、設(shè)備規(guī)范：

本風(fēng)機(jī)為雙吸又支撐離心式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的主要特性參數(shù)如下表達(dá)1。

表1

2、原因分析：

        2.1 風(fēng)機(jī)串軸的主要原因?yàn)槿~片發(fā)生裂紋后，雙吸風(fēng)機(jī)兩側(cè)的吸風(fēng)量不等，軸向推力發(fā)生變化，彈性膜片聯(lián)軸器在軸向交變應(yīng)力作用下，發(fā)生膜片損壞。下圖為對(duì)葉片裂紋補(bǔ)焊處理后與處理前 

的振動(dòng)趨勢(shì)圖。從圖中可以看出經(jīng)過(guò)處理后風(fēng)機(jī)的振動(dòng)平穩(wěn)，但整體振動(dòng)值較處理前偏高。

        2.2  風(fēng)機(jī)從2003年5月更換葉輪及轉(zhuǎn)子組件至今有28個(gè)月，再次發(fā)生葉片裂紋現(xiàn)象，說(shuō)明風(fēng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)可能存在的設(shè)計(jì)考慮不周或影響風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的消極因素：

        2.2.1  風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的原因，如轉(zhuǎn)速高、葉片寬、葉片工作應(yīng)力高等對(duì)風(fēng)機(jī)葉片非常不利。因?yàn)楸撅L(fēng)機(jī)采用的是強(qiáng)前彎葉片，為保證效率、降低噪音，被迫采用較寬的葉片以降低氣流速度。在高轉(zhuǎn)速下，流動(dòng)中氣流分離及葉片工作應(yīng)力增加是不可避免的。

        2.2.2  風(fēng)機(jī)選型裕量過(guò)大，使風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于低檔板開度的小風(fēng)量區(qū)域運(yùn)行。

        2.2.3  與后彎葉片離心風(fēng)機(jī)相比較，前彎式風(fēng)機(jī)的性能曲線在低流量區(qū)域內(nèi)存在馬鞍形不穩(wěn)定區(qū)，高阻力、低流量區(qū)域或低擋板開度區(qū)域較易發(fā)生風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速。

        2.3 裂紋產(chǎn)生的機(jī)理分析：

        2.3.1  葉輪在安裝時(shí)，檢查葉片沒(méi)有問(wèn)題?，F(xiàn)出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明是使用裂紋，而使用裂紋又分應(yīng)力腐蝕裂紋、蠕變裂紋、疲勞裂紋、脆性裂紋等。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況來(lái)看比較符合疲勞裂紋的特征。裂紋起源多數(shù)在表面應(yīng)力集中處，裂紋走向主要呈穿晶擴(kuò)展，且尾端尖細(xì)。

        2.3.2  疲勞裂紋的形成；在疲勞循環(huán)過(guò)程中，裂紋頂端的微小區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)解理裂紋及塑性變形，此時(shí)變形量很小。在一次循環(huán)中，壓縮半循環(huán)時(shí)，使裂紋的兩個(gè)裂開面緊靠在一起，裂紋頂端斷口表面產(chǎn)生變形；接著在下半拉伸循環(huán)時(shí)，裂紋再度張開，并使裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生一個(gè)增量△a，這時(shí)便形成一道輝紋，在疲勞應(yīng)力作用下逐漸發(fā)展為裂紋。

        2.3.3  在風(fēng)量一定條件下，如擋板開度較小，流速增大，氣流的擾動(dòng)加大，當(dāng)氣源的擾動(dòng)與葉片的固有頻率相等時(shí)就會(huì)發(fā)生共振，（氣流的擾動(dòng)可能發(fā)生卡門渦街，發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫流，盡管流量沒(méi)有變化，但流量?jī)?nèi)的氣流運(yùn)行軌跡發(fā)生了重大變化，如此強(qiáng)大的沖擊力反復(fù)作用下）加速了裂紋的蔓延。

        2.4  從葉片材質(zhì)及焊接工藝：

葉片焊接過(guò)程中，在金屬母材與熔化金屬之間，存在著高溫度梯度（1200-720℃）和短距離熱傳遞（6-8mm）。冷卻速度差異甚大，在金屬結(jié)晶過(guò)程中，引起晶粒急劇長(zhǎng)大，冷卻時(shí)形成粗大的魏氏組織，魏氏組織是由鐵素體和珠光體組成，晶粒度約為3~5級(jí)，室溫沖擊韌性ak=6~8J/cm2結(jié)晶狀斷口晶粒粗大，脆性轉(zhuǎn)變溫度在室溫以上，為也各葉片產(chǎn)生裂紋埋下了隱患。

        2.5  風(fēng)機(jī)特性及風(fēng)道阻力匹配分析：

        根據(jù)風(fēng)機(jī)的特性曲線，風(fēng)機(jī)的工作是否穩(wěn)定，關(guān)鍵是運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)是否落在一個(gè)單向下降的風(fēng)機(jī)特性曲線上。而這主要由兩方面原因決定的，一是風(fēng)機(jī)的性能曲線，二是擋板與風(fēng)道的阻力特性曲線。因此系統(tǒng)的阻力特性對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行是否穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用。在相同負(fù)荷時(shí)對(duì)比兩臺(tái)鍋爐四臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的檔板開度，發(fā)現(xiàn)偏差很大。如下圖：

注：由上至下分別為No31一次風(fēng)機(jī)擋板開度、No32一次風(fēng)機(jī)擋

板開度、No41一次風(fēng)機(jī)擋板開度、No42一次風(fēng)機(jī)擋板開度

由上圖可以看出，在相同負(fù)荷時(shí)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的擋板開度相差很大，原因可能是對(duì)一次風(fēng)機(jī)的喉口部進(jìn)行了改造，改造后的尺寸差異較大，No3鍋爐一次風(fēng)機(jī)機(jī)殼喉口間隙t≥50㎜,而No4鍋爐一次風(fēng)機(jī)約為25㎜，因此No4鍋爐風(fēng)機(jī)的壓力高出力大，擋板開度相對(duì)較小。此外，位于No4爐兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道上空氣預(yù)熱器阻力對(duì)兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行影響也比較大，現(xiàn)No4爐兩臺(tái)空預(yù)熱器的壓降不同，導(dǎo)致兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)位置也不一樣，現(xiàn)600MW時(shí)No41空預(yù)器的壓差為1.3kPa，而No42空預(yù)器的壓差為1.8kPa。

        2.6  No 4鍋爐No2風(fēng)機(jī)承力端軸承側(cè)風(fēng)機(jī)葉輪20個(gè)葉片中葉片zui先斷裂的原因，與葉片所受的脈動(dòng)應(yīng)力zui大有直接關(guān)聯(lián)。相比較而言，斷裂葉片所受的應(yīng)力應(yīng)該是zui嚴(yán)重的，在相同的氣流脈動(dòng)幅值下，葉片上的脈動(dòng)應(yīng)力也應(yīng)zui大。而用橡皮錘和鐵榔頭敲擊葉片測(cè)得的一階固有頻率約300Hz，在對(duì)損壞的葉片進(jìn)行頻率測(cè)定時(shí)有多個(gè)頻率與一階固有頻率成倍數(shù)關(guān)系，這也是承力側(cè)葉片損壞的一個(gè)關(guān)鍵原因。

        2.7  由于制造安裝時(shí)誤差，葉片的安裝角度不一致，加上運(yùn)行工況原因，氣流流向葉片也不均勻，各流速氣流分離程度也不一樣，可能會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫流 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)失速在葉輪產(chǎn)生的壓力波動(dòng)就產(chǎn)生激勵(lì)葉片發(fā)生異常振動(dòng)的激振力，但不一定能激發(fā)葉片振動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)失速的頻率與設(shè)備的固有效率一致時(shí)，將發(fā)生共振，此時(shí)對(duì)葉片的危害非常大。而旋轉(zhuǎn)脫離振動(dòng)的原因是工作流量比設(shè)計(jì)流量低，具體的原因除運(yùn)行時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)外，設(shè)備原因有入口擋板開度過(guò)小、導(dǎo)流板脫落（注：導(dǎo)流板安裝時(shí)方向裝反，后因振動(dòng)及噪聲較大檢查發(fā)現(xiàn)后重新安裝）、出入口風(fēng)道阻力發(fā)生變化等等。

        2.8  利用頻譜分析儀，對(duì)葉片裂紋簡(jiǎn)單補(bǔ)焊處理后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)的前后軸承進(jìn)行了測(cè)量，下表2為測(cè)量結(jié)果。

表2  單位：um（mm/s）

       根據(jù)GB/T  6075.3-2001振動(dòng)烈度在B區(qū)（2.3~4.5mm/s）可長(zhǎng)期運(yùn)行，在C區(qū)（4.5~7.1mm/s）不宜長(zhǎng)期運(yùn)行，在D區(qū)（7.1mm/s以上）不宜運(yùn)行。從以上測(cè)量數(shù)值可以看出，除了前軸承軸向振動(dòng)偏大以外，其它測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)值都很小。下面為測(cè)量各軸承的振動(dòng)頻譜圖：

圖1   風(fēng)機(jī)前軸承垂直方向速度頻譜圖          圖2   風(fēng)機(jī)前軸承水平方向速度頻譜圖

圖3   風(fēng)機(jī)前軸承軸向速度頻譜圖              圖4   風(fēng)機(jī)后軸承垂直方向速度頻譜

圖5   風(fēng)機(jī)后軸承水平方向速度頻譜圖          圖6   風(fēng)機(jī)后軸承軸向速度頻譜圖

       對(duì)上面的頻譜圖分析，存在如下的特征：（1）振動(dòng)頻譜中占優(yōu)勢(shì)的是1X轉(zhuǎn)速頻率；（2）其它頻率成分很小。綜合以上現(xiàn)象，該風(fēng)機(jī)軸向振動(dòng)偏大zui可能的原因，風(fēng)機(jī)與電機(jī)中心存在不對(duì)中問(wèn)題、軸承的安裝間隙存在誤差。

       3、采取措施：

       3.1  控制風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)擋板：鑒于入口擋板開度對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的嚴(yán)重影響，如果能在運(yùn)行時(shí)保證擋板開度在45％以上，則可以大幅度提高運(yùn)行可靠性。保證入口擋板開度的zui佳方案是加裝變頻裝置，變頻裝置效率高，機(jī)械部分無(wú)改造工作量。但高壓大容量的變頻可靠性需要很好的了解和掌握。本公司現(xiàn)以安裝完變頻裝置，從機(jī)組運(yùn)行安全考慮，正著手對(duì)電氣回路進(jìn)行改造，加裝一套變頻與工頻切換回路，如變頻發(fā)生故障可以切換至工頻運(yùn)行，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

       3.2   增加管路系統(tǒng)中出口部分流動(dòng)阻力：采取的措施有，稍微關(guān)閉出口隔絕門開度，增加流動(dòng)阻力；隔絕門后增加一道可調(diào)節(jié)阻力門，但阻力損失增加；稍關(guān)磨煤機(jī)前冷、熱風(fēng)門開度；根據(jù)實(shí)際需要或可能，減少磨煤機(jī)盤下風(fēng)環(huán)的通風(fēng)斷面積；根據(jù)需要和可能調(diào)節(jié)一次風(fēng)管阻力；用鋼板均勻堵死消音器入口部分通流斷面。

       3.3   一次風(fēng)機(jī)采用大風(fēng)量運(yùn)行方式：一次風(fēng)機(jī)出口低負(fù)荷放風(fēng)運(yùn)行，或放風(fēng)到送風(fēng)機(jī)出口管道內(nèi)。根據(jù)燃煤特性，煙煤燃燒中容許使用較大的一次風(fēng)率和一次風(fēng)量。空預(yù)器的漏風(fēng)率增加后，對(duì)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有利。

       3.4   盡量減少鍋爐zui低負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間，低負(fù)荷時(shí)盡量采用單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式，對(duì)一次風(fēng)機(jī)出口管路系統(tǒng)及各個(gè)有關(guān)風(fēng)門的嚴(yán)密度進(jìn)行改進(jìn)。在運(yùn)行中，要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)機(jī)軸承溫度、軸承振動(dòng)趨勢(shì)的監(jiān)視。

       3.5  利用停機(jī)檢修時(shí)機(jī)，將No42與No41一次風(fēng)機(jī)的煙風(fēng)道及導(dǎo)流板的安裝位置、安裝角度進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，尤其是導(dǎo)流板的安裝角度是否存在差別。聯(lián)系風(fēng)機(jī)廠家找出一個(gè)zui佳的安裝角度，此外對(duì)No3和No4風(fēng)機(jī)喉部改造后效果不同的原因進(jìn)行分析。

       3.6  對(duì)兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的煙風(fēng)道阻力用簡(jiǎn)易方法進(jìn)行測(cè)量，分析四臺(tái)風(fēng)機(jī)的管道阻力存在多大的差別，尤其要加強(qiáng)空氣預(yù)熱器的阻力對(duì)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的分析，因空氣預(yù)熱器的阻力是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變量。

       3.7  減少氣流的有定頻率的幅值，可以通過(guò)在導(dǎo)流板的背風(fēng)側(cè)焊接圓鋼等措施，改變固有頻率，減少系統(tǒng)共振。

       3.8  提高檢修質(zhì)量，針對(duì)一次風(fēng)機(jī)不對(duì)中問(wèn)題，利用檢修時(shí)機(jī)對(duì)中心進(jìn)行調(diào)整消除不對(duì)中；此外，對(duì)葉片的焊口進(jìn)行全 面的無(wú)損探傷檢查；對(duì)支撐軸承及承力軸承的間隙要進(jìn)行校對(duì)；對(duì)入口擋板的葉片及關(guān)度進(jìn)行校核等。通過(guò)提高檢修質(zhì)量，確保風(fēng)機(jī)的各部件運(yùn)行可靠，保證風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        總之，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)原因分析，使我們?cè)诮鉀Q問(wèn)題時(shí)，有的放矢。綜合其它三臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的管道特性及其喉部改造的差別，以及變頻器的投入使用，一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題肯定會(huì)得到解決，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定完全能到保障。【作者】 天津大唐國(guó)際盤山發(fā)電有限責(zé)任公司    劉峰