5CL-6BD型汽轮机故障处理

李卫卫 陈振文 赵春楠

(兖矿鲁南化工有限公司)

某公司合成氨系统合成气压缩机组是由汽轮机驱动，两端轴输出分别拖动压缩机高、低压缸。该汽轮机自2008年开车以来，运行中陆续出现了一些问题，如后轴承温度高、汽封弹簧失效及围带汽封条的多次损坏等，严重影响了汽轮机的运行安全和效率，笔者通过对问题原因的分析并结合多次检修经验提出了相应的处理措施。

1 汽轮机参数

汽轮机参数如下：

型号 5CL-6BD

级数 6

额定功率 9 628kW

最大连续转速 12 705r/min

一阶临界转速 5 000r/min

额定转速 12 100r/min

跳车转速 13 975r/min

最高入口压力 3.8MPa(A)

额定入口蒸汽压力 3.6MPa(A)

最高排汽压力 200kPa(A)

额定排汽压力 12kPa(A)

最高进口温度 450℃

额定入口蒸汽温度 400℃

出口温度 49℃

2 汽封弹簧问题

汽封装置的作用是阻止蒸汽泄漏，故对汽封间隙有严格要求。在长期高温和应力作用下，汽封弹簧会发生显著的塑性变形，其初应力不断下降，汽封间隙逐渐增大，漏汽损失增加，最终汽轮机的效率降低[1]。通常的解决方法是定期更换汽封弹簧(更换周期一般为1～2年)。5CL-6BD型汽轮机轴端汽封装置为弹簧迷宫式汽封，汽封圈采用整体车制，每级汽封圈由6块弧段组成，汽封圈弧段间留有0.10～0.25 mm的膨胀间隙，汽封与转子的半径间隙为0.21～0.41mm。汽封每弧段背部由3个弹簧支撑，以保证与转子之间的间隙。

该汽轮机检修后运行不久曾多次出现轴端汽封轻微漏汽现象，在一次运行6个月之后的检修中，对汽封装置进行检查分析，发现越靠近蒸汽入口处的汽封环，其背部支撑弹簧塑性变形越严重。汽封弹簧安装时自由高度为20mm，一级进口汽封环(轴端汽封)支撑弹簧自由高度已降低到只有12.5mm，已经完全失去支撑汽封环的作用。正是汽封弹簧的失效才导致了汽封间隙的增大，最终造成蒸汽的泄漏。

该汽封弹簧为圆柱形弹簧，材料为50CrVA，该材料具有优异的力学性能和工艺性能，具有较高的疲劳强度，是一种优质的弹簧钢，但只能适用于250 ℃以下工作环境，超过此温度弹簧的抗应力松弛性能就会明显下降。汽轮机额定入口蒸汽温度为400℃，已超出该种材料的适用范围，故而造成汽封弹簧使用过程中的失效，因此需对弹簧材料进行重新选择。

GH4145 合金为镍基耐高温合金，800℃以下具有较高的强度，540℃以下具有较好的耐松弛性能，同时还具有良好的成形性能。主要用于800℃以下工作并要求强度较高、耐松弛的平面弹簧和螺旋弹簧。可以看出，GH4145材料完全能够满足现场使用要求。

更换汽封弹簧材料运行14个月后对汽轮机进行检修，对各汽封进行检查，汽封间隙无明显变化，汽封环下压后回弹均匀有力，表明汽封弹簧能够正常工作。靠近蒸汽入口处一级进口汽封弹簧拆下后，自由高度17.8～18.2mm，较安装时平均弹簧自由高度降低约2mm。2～5级进口汽封因工作温度较一级已大大降低，弹簧塑性变形也更小，其自由高度下降均在1mm以内，仍能继续使用。更换汽封弹簧材料不仅减少了蒸汽泄漏，提高了汽轮机效率，更因使用周期的延长而降低了维修费用。

3 汽轮机围带汽封修复

5CL-6BD汽轮机3、4级围带汽封(叶片汽封)为嵌入式汽封，材料为2mm厚铜环。制造时先粗加工成两个半圆环，然后镶嵌至汽轮机上下隔板上，机加工成满足最终尺寸的尖刃状。2012年12月份，由于前系统蒸汽中断导致汽轮机跳车，重新开车时因汽轮机振动大导致机组跳车。在对汽轮机进行拆检轴承时发现转子叶轮围带有磨损痕迹，同时2、3级围带汽封铜条卷曲，并有部分铜条缺失。 从受损围带及汽封检查情况来看，二者位置相吻合，由此可以判断二者损坏为动静部分发生碰摩[2]。碰摩发生原因：为提高机组热效率，该两级叶片围带与汽封间隙值设计偏小，实际间隙值只有0.55～0.85mm；因存在低负荷运行时间较长的情况，使后面排汽温度较高，缸体受热不均匀造成了汽缸的变形；机组因振动跳车，也会导致动静碰摩。

汽封返厂修复所需时间较长，因当时生产任务紧张而未做处理。2013年3月份系统检修，为处理遗留的围带汽封和转子隐患问题安排对汽轮机进行了检修。采用厂家派人来现场加工的方法，避免了隔板返厂，节约了检修时间。同时，在汽封精加工时对汽封间隙进行了调整，将2、3级汽封间隙增大0.2～0.3mm，避免可能再次发生动静摩擦的情况。

4 汽轮机后轴承超温

自系统开车以来，汽轮机一直存在后轴承(非止推侧径向轴承)温度高的问题，稳定运行时轴承温度在108℃左右，最高曾达到118℃(报警值105℃，跳车值120℃)，由于后轴承一直处于报警状态，造成系统无法加量，制约着系统产能。

5CL-6BD汽轮机后轴承为5块瓦的可倾瓦径向轴承，瓦块之间为润滑油喷油嘴，瓦块两侧为挡油环。针对轴瓦超温问题，在汽轮机多次检修中，对瓦块、轴承间隙、热偶甚至油路等进行多次检查和更换，但未发现问题。2012年12月份，因后轴承损坏，在对轴承更换的过程中，再次对后轴承组件进行检查，发现了挡油环间隙偏小的问题。挡油环材料为25/ZSnSb11Cu6，静止状态下挡油环与轴间隙一侧为0.29～0.39 mm，另一侧为0.41～0.47mm，轴承径向间隙为0.17～0.23mm。检修时实际测得后轴承组件轴承径向间隙为0.20mm，挡油环两侧间隙分别只有0.20mm和0.32mm。因为挡油环间隙过小，导致后轴承润滑油回油阻力增大，进而导致润滑油流量减小[3]，轴承运行中产生的热量不能被及时带走，最终造成后轴承运行时轴瓦温度高，甚至这次跳车事故造成的轴承损坏也跟其有直接关系。因此，对挡油环进行加工，安装后挡油环两侧实际间隙分别为0.31mm和0.42mm。汽轮机开车运行后，后轴承温度一直稳定在85℃以下。

5 末级叶片拉筋裂纹

该汽轮机在运行4年后，对转子进行探伤检查时，发现末级叶片拉筋处出现3处微小裂纹。汽轮机末级叶片拉筋结构采用平板翼型拉筋，这种形式的叶片装配之后，板状拉筋之间有0.0～0.1mm的配合间隙。运行过程中当叶片振动时，拉筋之间互相摩擦碰撞，摩擦阻尼耗散振动能量。这种拉筋结构消除了叶片间同相位的切向振动，减少了多种振型的叶片振动，相对于其他自由叶片而言，降低了叶片的动应力。

末级叶片材料为SUS630(0Cr17Ni4Cu4Nb)，该材料在末级叶片上应用广泛[4]，此外，末级共有84个叶片，而运行多年后仅有3根叶片拉筋处出现裂纹，说明叶片强度满足要求，裂纹只是个别问题。由于叶片运行中的振动，会使叶片之间产生往复的微量位移，这种相互接触和摩擦必然使叶片之间产生一定的作用力，随着运行时间的增加，相互接触摩擦部位可能会造成疲劳损坏，进而在局部点接触应力集中部位产生疲劳裂纹。在观察叶片裂纹部位时，也发现裂纹处叶片与凸台之间接触不够均匀，拉筋凸台有尖角，存在应力集中点。因此叶片拉筋凸台的接触疲劳应是造成裂纹出现的主要原因。

转子末级叶片拉筋凸台断裂位于底边1～2mm，高度3～4mm，凸台尖角断裂部位很小，不会对叶片强度造成影响。经与厂家交流，决定对断裂部位进行打磨处理，将断裂的凸台拐角去除，并对去除后的拉筋打磨圆滑，以避免应力集中，同时检查处理其他叶片拉筋接触情况，最后转子做动平衡处理。处理后的转子运转良好，在运行一年以后检查，未有新的裂纹出现。

6 结束语

引起汽轮机组故障的原因很多，这就要求在分析查找问题时，要认真消化厂家技术资料，同时结合现场实际，对可能的原因认真排查，才能找到事故根源，采取切实可行的措施。5CL-6BD经过检修和优化，现运行稳定，运行周期大大延长，消耗降低到最低水平，系统操作弹性增强，合成氨日产由760t增加到780t以上，为公司创造了巨大的经济效益。

[1] 任军，焦利峰，解志宏，等.引进型亚临界330MW汽轮机汽封弹簧失效的研究[J]. 内蒙古电力技术， 2004，22(4):25～28.

[2] 李家锋.600MW汽轮机叶片围带损伤及脱落的原因分析及修复[J]. 华北电力，2009，22(4):68～69.

[3] 卢颂峰.具有挡油环结构的可倾瓦径向轴承流量的计算[J].润滑与密封，1984，39(4):15～19.

[4] 徐鑫金，张伟，谢会武.二氧化碳压缩机汽轮机叶片断裂原因分析及优化[J].大氮肥，2014，37(1):33～37.