膨脹不均使前軸承箱抬起致主油泵頻繁斷軸
2019-09-27 汽輪機主油泵用于供給汽輪機組的軸承潤滑油和調(diào)速系統(tǒng)用油，某天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)電廠135MW汽輪機組于2015年底投產(chǎn)運行，因該機組為調(diào)峰機組，啟停頻繁，對設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。主油泵做為重要設(shè)備，其是否能正常運行直接關(guān)系到汽輪機運行的安全性和可靠性，因此，解決和防范主油泵斷軸問題非常重要。
圖1 主油泵結(jié)構(gòu)
圖中，1為泵軸；2為泵殼；3為葉輪；4為浮動軸瓦；5為鎖定螺母；6為危急遮斷裝置；7為連接靠背輪；8為斷裂位置
1 主油泵的作用與結(jié)構(gòu)
主油泵是汽輪機的重要附屬部件之一，安裝在機組前箱內(nèi)部，在汽輪機全速時，為機組提供全部的潤滑油和保安油。在汽輪機啟、停機過程中，機組潤滑油和保安油則由輔助交流潤滑油泵和高壓啟動油泵提供。使用主油泵既能節(jié)省廠用電，也能防止因交流潤滑泵斷電而產(chǎn)生斷油燒瓦的風(fēng)險。
該汽輪機主油泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 兩次斷軸的現(xiàn)象與過程
該發(fā)電廠2016年曾2次在機組帶負(fù)荷運行期間發(fā)生主油泵泵軸斷裂，導(dǎo)致汽輪機組非停事件。
次事件發(fā)生在7月4日10:26:05，機組帶117MW負(fù)荷運行時，ETS（汽輪機跳閘保護(hù)系統(tǒng)）動作，首出“DEH（汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)）跳機”。檢查主油泵出口油壓歷史曲線，在0.5s內(nèi)出口油壓從正常運行時的1.85MPa突降至0.25MPa，主油泵入口壓力降至0.0867MPa，潤滑油母管壓力降至0.0119MPa，隨后交流潤滑油泵和直流潤滑油泵均啟動。10:26:11，潤滑油壓恢復(fù)，潤滑油母管壓力為0.126MPa，主油泵進(jìn)口油壓0.23MPa。檢查汽輪機軸系瓦溫、振動均在正常范圍內(nèi)。通過前箱位置的觀察孔檢查盤車狀態(tài)下主油泵自由端的泵軸轉(zhuǎn)動情況，判斷主油泵泵軸已斷裂。當(dāng)機組具備條件后，打開前箱和主油泵進(jìn)行檢查，確認(rèn)泵軸斷裂，斷裂位置為圖1中的8所示位置，主油泵的浮動軸瓦存在磨損情況。
第二次事件發(fā)生在9月22日10:43:23，機組帶59MW負(fù)荷運行時，ETS動作，首出“DEH跳機”，現(xiàn)象和動作情況與次相同。
在發(fā)生次斷軸后，汽輪機廠家和發(fā)電廠的相關(guān)技術(shù)人員對斷軸原因進(jìn)行分析，判定斷軸原因是：主油泵泵軸存在熱處理或軸中心找正不到位等缺陷，屬偶發(fā)性事件。于是采取更換同型號新泵軸的處理方式，在汽輪機完成注油、機械超速等相關(guān)試驗后投入正常使用。然而，馬上發(fā)生第二次斷裂，且從運行數(shù)據(jù)顯示，根泵軸運行時間將近1200h，第二根泵軸運行時間不到450h，接連發(fā)生2次汽輪機主油泵斷軸，不能定性為偶發(fā)性事件，同時在第二次斷軸后的檢查過程中發(fā)現(xiàn)，前箱一側(cè)前壓板的螺栓松動，底板座螺孔牙紋拉裂脫落。
3 原因分析
3.1材質(zhì)分析
該汽輪機主油泵軸材質(zhì)采用40CrA合金鋼，對2根斷裂的主油泵軸的化學(xué)成分、機械性能以及金相進(jìn)行檢查和分析。檢測結(jié)果表明：化學(xué)成分符合GB/T3077－1999標(biāo)準(zhǔn)；機械性能的檢測結(jié)果基本符合NB2074《經(jīng)調(diào)質(zhì)的一般鍛件和型鋼制件技術(shù)條件（南汽）》的要求（見表1），其中金屬機械性能塑性延伸強度（Rp0.2）偏低；斷面金相見圖2，顯示為珠光體＋鐵素體，判斷泵軸熱處理效果偏差。由此認(rèn)為：主油泵泵軸熱處理效果差導(dǎo)致了Rp0.2等機械性能指標(biāo)低于或接近標(biāo)準(zhǔn)值。
從2次斷軸的斷口（見圖2）觀察斷裂源，有較多臺階，判斷為多源斷裂，該處為泵軸外徑變化的應(yīng)力集中位置；擴展區(qū)占整個斷面較大部分區(qū)域，且存在貝紋線；瞬斷區(qū)位于一側(cè)斷口邊緣，偏離斷面中心位置，說明泵軸在斷裂時受力不均。因此排除2次斷軸處存在沙眼、缺口等缺陷，判斷為疲勞斷裂。
表1 機械性能（40CrA）檢測結(jié)果
圖2 斷裂面和斷面金相
3.2安裝與結(jié)構(gòu)方面分析
泵軸在安裝過程中，與油封環(huán)、浮動軸瓦之間的間隙以及短軸晃度，包括主油泵安裝的所有參數(shù)均符合安裝設(shè)計要求。在汽輪機啟動運行期間，對前箱前端位置的各方向位移量進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)前箱前端存在5mm的上抬，大于浮動軸瓦自調(diào)節(jié)能力3mm的范圍。從前箱右側(cè)前壓板底板座螺孔牙紋脫落可以發(fā)現(xiàn)上抬作用力非常大。從前箱的布置（見圖3）可以看出前箱有2處與高壓缸連接，分別為位于高壓缸下缸中分面位置的貓爪和位于前箱底部位置的拉回裝置，這將導(dǎo)致在高壓缸向前和向下膨脹不均時對前箱產(chǎn)生上抬的作用力?；谝陨峡紤]，將圖3中位置2的貓爪橫銷前后插板撤除，釋放貓爪對前箱推拉力。在機組滿負(fù)荷時測量前箱的上抬幅度為0.53mm，此上抬量在浮動軸瓦自調(diào)節(jié)能力范圍之內(nèi)。因此判斷前箱的上抬導(dǎo)致超出浮動軸瓦的浮動能力范圍，使泵軸受力，這是發(fā)生泵軸斷裂的主要原因。
圖3 前箱布置
圖中，1為汽輪機前箱；2為貓爪連接處；3為拉回裝置連接處；4為高壓缸上缸；5為高壓缸下缸；6為前箱上抬測量位置；7為壓板位置。
根據(jù)圖4所示進(jìn)行架表測量，在貓爪橫銷插板撤除前后的不同狀態(tài)下，測得的前箱上抬量和機組膨脹數(shù)據(jù)見表2。
圖4 架表位置示意
表2 前箱上抬量數(shù)據(jù)
注：測量數(shù)據(jù)為正表示上抬，為負(fù)表示下沉。
從泵軸斷裂處分析，斷裂位置均在該軸葉輪安裝位置的Φ104－Φ86變徑處，此處R角為R0.4，根據(jù)有限元分析結(jié)果，此處應(yīng)力為40MPa，是應(yīng)力集中的薄弱部位。因此判斷應(yīng)力集中也是此處產(chǎn)生斷裂的誘因之一。
4 處理與防范措施
針對2次斷軸情況，對主油泵及相關(guān)設(shè)備做以下處理：
（1）調(diào)整前箱與高壓缸連接的拉回裝置和貓爪的相互配合，將貓爪橫銷處的前后插板撤除，消除前箱上抬。
?。?）將泵軸Φ104－Φ86變徑處R角從R0.4提高到R2.5，提高設(shè)計安全裕度，盡可能防止變徑處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
?。?）提升主油泵的泵軸材質(zhì)，將原先的40CrA鋼更換為30Cr2Ni4MoV鋼。30Cr2Ni4MoV鋼廣泛應(yīng)用于汽輪機低壓轉(zhuǎn)子，其綜合機械性能好，具有良好的沖擊韌性和和較低的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，較40CrA鋼具有更好的機械性能，其技術(shù)規(guī)范數(shù)據(jù)見表3。
表3 機械性能（30Cr2Ni4MoV）
?。?）在浮動軸瓦座位置安裝溫度探頭，監(jiān)測浮動軸瓦運行狀態(tài)；在前箱頭部安裝上下位移傳感器，監(jiān)測前箱的上抬情況，對浮動軸瓦磨損情況進(jìn)行檢查監(jiān)控。
經(jīng)過機組一年多時間的運行過程中對浮動軸瓦的監(jiān)測，確認(rèn)主油泵浮動軸瓦和泵軸狀態(tài)良好，主油泵運行正常，問題得到了有效控制。
5 結(jié)語
通過以上分析得出，2個主油泵泵軸斷裂的直接原因為前箱的上抬超出了泵軸本身的自調(diào)節(jié)能力范圍，加上40CrA材質(zhì)的泵軸熱處理工藝不理想使延伸強度（Rp0.2）等機械性能偏低，從而使泵軸受力后在應(yīng)力集中的變徑處產(chǎn)生疲勞斷裂，同時機組的頻繁啟停也加速了斷軸的發(fā)生。
汽輪機主油泵運行的可靠性直接影響機組的安全，對主油泵安裝及相關(guān)部件的設(shè)計、制造和安裝都應(yīng)慎重考慮和嚴(yán)格把關(guān)。針對參與電網(wǎng)調(diào)峰的燃汽輪機的運行常態(tài)，設(shè)備制造廠須充分考慮和防范機組頻繁啟停機對設(shè)備運行安全帶來的不利影響。
（來源：汽機監(jiān)督）
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