汽轮机转子裂纹振动特征及诊断

瑶瑶qiekenao

汽轮机转子裂纹振动特征及诊断

转子裂纹具有缓慢增长特性，是造成转子破坏的一种严重故障模式。裂纹从产生到发展的增长速率及表现特征经历几个阶段，直到剩余的转子横截面减小到无法承受对其施加的复杂应力载荷时迅速发生脆性断裂。转子断裂瞬间存储在旋转系统中的能量被突然释放，由多起转子断裂事故现场可见，飞出的断轴击穿混凝土及厂房，形成的破坏力是灾难性的。为此重视并正确诊断出现裂纹转子的振动特征，并由此提取到早期裂纹转子振动数据加以准确分析就变的尤为重要。

1.转子裂纹形成原因

不平衡质量是转子的主要激振力，假设转子只承受不平衡力，则转子的运动轨迹将表现为完全正圆的同步运动，此时转子一侧始终承受恒定的拉应力，一侧始终承受恒定的压应力，无交变应力循环存在。但转子在旋转过程中还受静止的重力作用，水平和垂直方向弯曲度不同，此时转子承受1X的应力循环，最大应力出现在转子外表面。典型的转子运动轨迹为椭圆形，此时转子会出现2X的应力循环。因此，即便是在正常的1X运行条件下，转子始终处于1X和2X混合的复杂应力循环中。因转子系统的非线性、共振等因素影响在旋转系统中还存在较为复杂的次同步、超同步谐波，这就使转子处于更加复杂的交变应力循环中。

转子裂纹往往容易发生在应力集中部位，如转子直径突然变化处、过盈配合的套装部件套装处、键槽、钻孔、螺纹或其他不连续性等几何因素；以及转子表面加工缺陷、电腐蚀、化学腐蚀缺陷、材料缺陷（气孔、夹渣、金相组织不均匀等）。由来自于静态和动态弯曲、扭转，静态径向载荷，热冲击以及焊接，热处理等对转子造成的应力均会产生周期性变化的局部应力场。在应力集中部位将超出材料的抗拉强度，形成局部微小裂纹。

汽轮机转子在启停机过程中温升速率过大，尤其高蒸汽参数汽轮机没有充分的暖机或者停机过程冷却过快，前者转子表面承受非常大的压应力，后者转子表面承受拉应力，易在应力集中位置超出材料强度形成表面裂纹；水冲击事故转子表面急剧冷却，在转子表面处承受极大的拉应力，在水冲击位置形成表面网状裂纹；剧烈的摩擦因一般发生在转子局部位置，摩擦表面温度迅速升高，局部形成极大压应力，摩擦消失后转子不但会形成折线形永久弯曲，还会在摩擦位置形成表层裂纹。

2.不同原因导致的转子裂纹形状特性

转子承受过大的拉压循环应力而产生裂纹，裂纹端部呈尖端状并不断扩散，并与拉伸应力场垂直，如果转子只承受简单的拉压应力，如转子因不平衡导致的同步弓形回转、整数倍谐波及静载荷，则在转子表面表现为横向裂纹（如图2-1上图）。

在长距离输电线路中如设置串补装置则电网震荡易与转子扭转固有频率发生共振，在转子表面形成的扭转应力最大。单纯的扭转应力会产生方向与转子轴线呈450角的拉伸应力场，往往会在转子表面形成螺旋状裂纹（如图2-1下图）。

实际的转子系统承受拉伸和扭转应力共同作用，通常弯曲应力作为主导应力存在。如果因电网震荡形成轴系扭转共振，则扭转应力成为主导应力，仔细观察转子裂纹的形状可以定性分析哪种应力占据主导地位。

3.转子裂纹形成的几个阶段

在转子寿命期内，典型的高周疲劳下，转子寿命的约90%都消耗产生和增长微小的裂纹上，在此期间，裂纹要么不存在要么极其微小，并且扩散速度极慢。这是转子裂纹的第一阶段。

随转子服役年限的增长，转子裂纹逐步进入第二阶段，此时转子裂纹所表现出的振动特征逐渐有所体现。

在转子寿命期的最后10%，裂纹增长速率有明显的提高，裂纹转子振动特征表现得较为典型，转子工频振动不断增大外，2倍频也较为明显，转子需不断地进行动平衡，并且两次平衡时间间隔越来越短，启停机转子热弯曲明显。在转子裂纹发展到第三阶段应快速准确的诊断出裂纹故障。

裂纹发展到第四阶段则是快速破坏，此阶段剩余材料承受的应力越来越大，应力集中也越来越大，在某一时刻剩余的转轴截面积变的极小，在施加某一载荷，或者功率变动扭转冲击下，局部应力超出剩余材料强度使转子剩余界面发生脆性断裂，转子最终断裂。

转子裂纹形成阶段如图3-1

4.裂纹转子振动特征

随裂纹的的加深转子横截面面积减少，转轴极惯性矩减小，轴刚度逐步降低。在恒定动载荷和静载荷作用下（如不平衡、转子自重产生的恒定静载荷）转子产生在裂纹处的挠曲并随裂纹深度增加而增加，又如果裂纹所处位置与原始不平衡量在角度上存在偏差（一般如此），裂纹产生的转子挠曲和原始不平衡量造成的转子挠曲适量迭加，改变转子响应方向。因此随裂纹的扩展转子1X振幅和相位均发生变化。

振动的实质是扰动力和动力学刚度的比值A=F/K随转子裂纹的不断扩张，转子轴刚度不断降低，在扰动力不变的情况下1X振幅逐渐增长，特殊情况裂纹发展的第二阶段如果裂纹位置与原始不平衡正好反向，转子向反方向弯曲，1X振幅先有一个减小的过程而后逐渐增大。发展到第三阶段1X振幅随时间增幅增长速率加快，相位相对开始稳定，此时应引起足够的重视。

转子裂纹造成裂纹处转子横截面热阻不同，受热状态下转子因径向温差形成热弯曲，而且受热的转子在停机时挠曲值更大，所以表现出转子停机过程振幅值远大于启机的特性，并在低速（300r/min-盘车）表现出较大的晃度值。

转子裂纹达到一定程度（第三阶段后），随转子裂纹扩展，在裂纹处的转子横截面呈现出明显的刚性不对称，转子每旋转一周呈现两次刚度变化（图4-1），在振动分量上表现出明显的2倍频成份。

刚度不对称导致的2倍频还会产生强烈的2X转矩脉冲激振，可在转子系统中激励该频率下的扭转共振，由于扭转振动在径向振动上的耦合作用，又促进径向振动的2倍频成份。

5.转子裂纹的诊断原则

5.1    1X振幅和相位不断变化

1X振辐和相位的不断变化是转子裂纹的最主要指示，裂纹增长的第二阶段后期到第三阶段为数周到数月不止，转子进入第四阶段即将发生破坏，几个小时内转子即可达到断裂。所以轴裂纹达到一定深度时1X振动表现出较快速率的增长。

随裂纹的扩展，低速下转子呈现不断增大，较为明显的偏心值。裂纹造成的转子轴刚度不断降低，1X振动增长，需不断地实施平衡，并且平衡后振动恶化的速度越来越快。平衡实施过程中，两次之间计算得出的影响系数有明显的变化。

裂纹造成转子系统弹簧刚度不断降低，成为临界转速不断下降的原因之一。

因为转子裂纹造成转子弯曲变化明显，所以便显现出敏感的1X振动变化。

5.2    2倍频振动分量明显

转子裂纹达到一定深度时因刚性不对称呈现出明显的2倍频特征，甚至在启机升速过程转速达到一阶临界转速的1/2时出现“副临界”特征。

但不应以2倍频故障特征作为诊断转子裂纹的唯一因素。可以产生二倍频的其他故障模式包括2倍频谐波共振、摩擦、严重的不对中、电磁激振等。

6.防止转子裂纹在设计制造、运行中产生裂纹的技术措施

设计缺陷、安装检修、运行方式不当是造成转子裂纹形成的综合因素。设计时应避免应力集中因素，转子直径突然变化处、过盈配合的套装部件套装处、键槽、钻孔、螺纹或其他不连续性等几何因素处多容易形成应力集中。

良好的机组对中有利于降低转子裂纹风险，转子间严重不对中可导致转子发生弯曲，可能产生超出转子设计限制的1X循环应力。

机组启停机及运行中应避免转子承受过快的温度变化，尤其避免热冲击，剧烈摩擦故障在转子表面形成过大的拉压应力而出现裂纹，即便是微小的裂纹，形成的应力集中点也会导致转子裂纹故障的扩展。

避免在共振或接近共振转速下运行，该工况下转子弯曲极为敏感，大振幅下转子表面及内部均呈现过大应力。

2倍频在转子系统中始终占有一定的分量，除刚性不对称之外还有很多因素导致。还有运行在临界转速的1/2时，也会表现为显著的二倍频，二倍频及其他谐波成分使转子每旋转一周则承受2次或更高的交变应力，成为导致转子裂纹的危险因素。

长距离输电串补电容电路电网震荡，易激发轴系扭转共振，在扭矩最大的汽轮机-发电机对轮处形成非常大的应力循环，易导致轴系螺旋状裂纹。该类型轴系安装扭振探头日常监测是必要的。

机组运行中应监测1X、2X振幅相位的变化并跟踪其趋势，根据机组实际情况明确1X和2X的可接受区域；机组每次启停机均需采集振动数据，并和之前数据进行详细的比较，如差别较大，应细致客观分析差别原因。