汽车主油泵的作用与结构断轴原因分析酒柜
2022-09-08 17:10:46 盛凯机械网
汽轮机主油泵普遍应用在300 MW及以下等级的汽轮机机组，用于供给汽轮机组的轴承润滑油和调速系统用油。某天然气热电联产电厂135 MW汽轮机组于2015年底投产运行，该机组配备了汽轮机主油泵。因该机组为调峰机组，启停频繁，对设备的可靠性提出了更高的要求。主油泵做为重要设备，其是否能正常运行直接关系到汽轮机运行的安全性和可靠性，因此，解决和防范主油泵断轴问题非常重要。
1主油泵的作用与结构
主油泵是汽轮机的重要附属部件之一，安装在机组前箱内部，在汽轮机全速时，为机组提供全部的润滑油和保安油。在汽轮机启、停机过程中，机组润滑油和保安油则由辅助交流润滑油泵和高压启动油泵提供。使用主油泵既能节省厂用电，也能防止因交流润滑泵断电而产生断油烧瓦的风险。
该汽轮机主油泵结构如图1所示。
2次断轴的现象与过程
该发电厂2016年曾2次在机组带负荷运行期间发生主油泵泵轴断裂，导致汽轮机组非停事件。
第一次事件发生在7月4日10:26:05，机组带117 MW负荷运行时，ETS（汽轮机跳闸保护系统）动作，首出“DEH（汽轮机数字电液控制系统）跳机”。检查主油泵出口油压历史曲线，在0.5 s内出口油压从正常运行时的1.85 MPa突降至0.25 MPa，主油泵入口压力降至0.086 7 MPa，润滑油母管压力降至0.011 9 MPa，随后交流润滑油泵和直流润滑油泵均启动。10:26:11，润滑油压恢复，润滑油母管压力为0.126 MPa，主油泵进口油压0.23 MPa。检查汽轮机轴系瓦温、振动均在正常范围内。通过前箱位置的观察孔检查盘车状态下主油泵自由端的泵轴转动情况，判断主油泵泵轴已断裂。当机组具备条件后，打开前箱和主油泵进行检查，确认泵轴断裂，断裂位置为图1中的8所示位置，主油泵的浮动轴瓦存在磨损情况。
第二次事件发生在9月22日10:43:23，机组带59 MW负荷运行时，ETS动作，首出“DEH跳机”，现象和动作情况与第一次相同。
在发生第一次断轴后，汽轮机厂家和发电厂的相关技术人员对断轴原因进行分析，判定断轴原因是：主油泵泵轴存在热处理或轴中心找正不到位等缺陷，属偶发性事件。于是采取更换同型号新泵轴的处理方式，在汽轮机完成注油、机械超速等相关试验后投入正常使用。然而，马上发生第二次断裂，且从运行数据显示，第一根泵轴运行时间将近1 200 h，第二根泵轴运行时间不到450 h，接连发生2次汽轮机主油泵断轴，不能定性为偶发性事件，同时在第二次断轴后的检查过程中发现，前箱一侧前压板的螺栓松动，底板座螺孔牙纹拉裂脱落。
3原因分析
3.1材质分析
该汽轮机主油泵轴材质采用40CrA合金钢，对2根断裂的主油泵轴的化学成分、机械性能以及金相进行检查和分析。检测结果表明：化学成分符合GB/T3077－1999标准；机械性能的检测结果基本符合NB2074《经调质的一般锻件和型钢制件技术条件（南汽）》的要求（见表1），其中金属机械性能塑性延伸强度（Rp0.2）偏低；断面金相见图2，显示为珠光体＋铁素体，判断泵轴热处理效果偏差。由此认为：主油泵泵轴热处理效果差导致了Rp0.2等机械性能指标低于或接近标准值。
从2次断轴的断口（见图2）观察断裂源，有较多台阶，判断为多源断裂，该处为泵轴外径变化的应力集中位置；扩展区占整个断面较大部分区域，且存在贝纹线；瞬断区位于一侧断口边缘，偏离断面中心位置，说明泵轴在断裂时受力不均。因此排除2次断轴处存在沙眼、缺口等缺陷，判断为疲劳断裂。
3.2安装与结构方面分析
泵轴在安装过程中，与油封环、浮动轴瓦之间的间隙以及短轴晃度，包括主油泵安装的所有参数均符合安装设计要求。在汽轮机启动运行期间，对前箱前端位置的各方向位移量进行监测，发现前箱前端存在5 mm的上抬，大于浮动轴瓦自调节能力3 mm的范围。从前箱右侧前压板底板座螺孔牙纹脱落可以发现上抬作用力非常大。从前箱的布置（见图3）可以看出前箱有2处与高压缸连接，分别为位于高压缸下缸中分面位置的猫爪和位于前箱底部位置的拉回装置，这将导致在高压缸向前和向下膨胀不均时对前箱产生上抬的作用力。基于以上考虑，将图3中位置2的猫爪横销前后插板撤除，释放猫爪对前箱推拉力。在机组满负荷时测量前箱的上抬幅度为0.53 mm，此上抬量在浮动轴瓦自调节能力范围之内。因此判断前箱的上抬导致超出浮动轴瓦的浮动能力范围，使泵轴受力，这是发生泵轴断裂的主要原因。
图中，1为汽轮机前箱；2为猫爪连接处；3为拉回装置连接处；4为高压缸上缸；5为高压缸下缸；6为前箱上抬测量位置；7为压板位置。
根据图4所示进行架表测量，在猫爪横销插板撤除前后的不同状态下，测得的前箱上抬量和机组绝对膨胀数据见表2。
从泵轴断裂处分析，断裂位置均在该轴叶轮安装位置的Φ104－Φ86变径处，此处R角为R0.4，根据有限元分析结果，此处应力为40 MPa，是应力集中的薄弱部位。因此判断应力集中也是此处产生断裂的诱因之一。
4处理与防范措施
针对2次断轴情况，对主油泵及相关设备做以下处理：
（1）调整前箱与高压缸连接的拉回装置和猫爪的相互配合，将猫爪横销处的前后插板撤除，消除前箱上抬。
（2）将泵轴Φ104－Φ86变径处R角从R0.4提高到R2.5，提高设计安全裕度，尽可能防止变径处的应力集中现象。
（3）提升主油泵的泵轴材质，将原先的40CrA钢更换为30Cr2Ni4MoV钢。30Cr2Ni4MoV钢广泛应用于汽轮机低压转子，其综合机械性能好，具有良好的冲击韧性和和较低的韧脆性转变温度，较40CrA钢具有更好的机械性能，其技术规范数据见表3。
（4）在浮动轴瓦座位置安装温度探头，监测浮动轴瓦运行状态；在前箱头部安装上下位移传感器，监测前箱的上抬情况，对浮动轴瓦磨损情况进行检查监控。
经过机组一年多时间的运行过程中对浮动轴瓦的监测，确认主油泵浮动轴瓦和泵轴状态良好，主油泵运行正常，问题得到了有效控制。
5结语
通过以上分析得出，2个主油泵泵轴断裂的直接原因为前箱的上抬超出了泵轴本身的自调节能力范围，加上40CrA材质的泵轴热处理工艺不理想使延伸强度（Rp0.2）等机械性能偏低，从而使泵轴受力后在应力集中的变径处产生疲劳断裂，同时机组的频繁启停也加速了断轴的发生。
汽轮机主油泵运行的可靠性直接影响机组的安全，对主油泵安装及相关部件的设计、制造和安装都应慎重考虑和严格把关。针对参与电网调峰的燃汽轮机的运行常态，设备制造厂须充分考虑和防范机组频繁启停机对设备运行安全带来的不利影响。
参考文献：
[1]赵双群，林富生.长期服役后低压转子30Cr2Ni4MoV钢的性能研究[J].动力工程学报，2013，33（2）:152-159.
[2]杨晓辉.大型核电汽轮机低压转子锻件研制[C]//2010年核电站新技术交流研讨会.深圳：中国电机工程学会，2010.
[3]刘建生.汽轮机、燃气轮机润滑油系统异常分析与处理[J].浙江电力，2016，35（7）:49-52.
[4]赵广勋，瞿丽莉，张小锋，等.某进口型汽轮机主油泵驱动轴断裂分析研究[J].山东工业技术，2017（21）:63-64.[5]赵喜群.一起汽轮机主油泵损坏的原因分析及处理[J].科技资讯，2015，13（12）:37.
[6]黄桥生，彭碧草.汽轮机主油泵轴承断裂分析及预防措施[J].铸造技术，2013（9）:1163-1164.
[7]陈浩.汽轮机润滑油泵故障的分析和处理[J].浙江电力，2010，29（6）:37-38.
[8]斯宝祥，陈石凌，王崇顺.汽轮机低压转子末级叶片断裂分析[J].浙江电力，2011，30（2）:35-38.
[9]于达仁，张志强.汽轮机油系统发展综述及故障树分析[J].中国电力，2002，35（7）:1-7.
[10]邵峰，焦峰.汽轮机主油泵的改造[J].电世界，2017，58（1）:54-55.
[11]龙珍波，翟永惠.齐鲁石化热电厂4号汽轮机前箱扬度及转子扬度的调整[J].热力发电，2003，32（2）:52-55.
[12]李志刚.刍议汽轮机胀差大事故的处理[J].科技风，2016（5）:77.
[13]何成.汽轮机主油泵轴断裂分析[J].理化检验（物理分册）.2005，41（12）:636-638.
[14]李国栋.交流润滑油泵出口油压跌落为零的原因分析及处理[J].中国高新技术企业，2008（14）:74.
[15]常青.机组启动前高压油无法建立的原因及处理[J].电力安全技术，2017（12）:15-17.
[16]黄桥生，彭碧草，沈丁杰，等.龙毅汽轮机主油泵轴承断裂分析及预防措施[J].铸造技术，2013（9）:1163-1164.
注：原文发表于《浙江电力》2018年第7期；原文标题：汽轮机主油泵断轴事故原因分析及处理