樓華棟，呂玥婷（tíng），戴仕（shì）方
（華（huá）電浙江龍遊熱（rè）電有限公司）

　　汽輪機主油（yóu）泵普遍應用在（zài）300MW及以下等級的汽輪機機組，用於供給汽輪機（jī）組（zǔ）的軸承潤滑油和調速係統（tǒng）用油（yóu）。某天然氣熱電聯產電廠135MW汽（qì）輪機組於2015年底投（tóu）產運行，該機組配（pèi）備了汽輪機主油泵（bèng）。因該機組為調峰（fēng）機組，啟停頻繁，對設備的可靠（kào）性提出了更高的要求。主油泵做（zuò）為重要設備，其是否能正常運行直接關係到汽（qì）輪機（jī）運行的安全性和可（kě）靠性，因（yīn）此，解決和防範主（zhǔ）油泵斷軸問題非常重要。

圖（tú）1 主油泵結構
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（zhì）；7為連接靠背輪；8為斷裂（liè）位置（zhì）

　　1　主油泵的作用與結構
　　主油泵是汽輪機的重要附屬部件之一（yī），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（de）潤滑油和（hé）保安油。在汽輪機啟、停機過程（chéng）中，機組潤滑油和保安油則由輔助交流潤滑（huá）油泵和高壓啟動油泵提供。使用主油泵既能節省廠用電，也能防止因交流潤滑泵斷電（diàn）而產生斷（duàn）油燒（shāo）瓦的風險。
　　該汽（qì）輪機主（zhǔ）油泵結構如圖1所示。
　　2　2次（cì）斷軸的現象與過程
　　該發電廠2016年曾2次在機組帶負荷運行期間發生主油（yóu）泵泵軸斷裂，導致汽輪機組非停事件。
　　次事（shì）件發生在7月4日10:26:05，機組帶117MW負荷運行時，ETS（汽輪機跳閘保護係統（tǒng））動作，首出“DEH（汽輪機數（shù）字電（diàn）液控製係（xì）統）跳機”。檢查主油泵出口（kǒu）油壓曆史曲線（xiàn），在0.5s內（nèi）出（chū）口油壓從正常運行（háng）時的1.85MPa突降至（zhì）0.25MPa，主油泵入口壓力降至0.0867MPa，潤滑油母管（guǎn）壓力（lì）降至0.0119MPa，隨（suí）後交流潤滑油泵和（hé）直流潤滑油泵均啟動。10:26:11，潤滑油壓恢複，潤滑油母（mǔ）管壓力（lì）為0.126MPa，主油泵進口油壓0.23MPa。檢（jiǎn）查（chá）汽輪機軸係瓦溫（wēn）、振動均在正常範圍內。通過前箱（xiāng）位置的觀察孔檢查盤車狀態（tài）下主油泵自由端（duān）的泵軸轉動情況，判斷主（zhǔ）油泵泵軸已斷裂。當機組具備條件後，打開前箱和主（zhǔ）油（yóu）泵進行檢查，確認泵軸斷（duàn）裂，斷裂位置為圖1中的（de）8所示位置，主油泵的浮動軸（zhóu）瓦存在磨損情況。
　　第二次事（shì）件發生在9月22日10:43:23，機（jī）組帶59MW負荷運（yùn）行時，ETS動作，首出“DEH跳機”，現象（xiàng）和動作（zuò）情況與次相同。
　　在發生次斷軸（zhóu）後，汽輪機廠家和發電廠的相關技術人員對斷軸原因進行分析，判定斷軸原因是：主油泵（bèng）泵軸存在熱處理或軸中心找正不到位等缺陷，屬偶發性事件。於是采取更換同型號新泵軸的處理方式，在（zài）汽輪機完成注油、機械超速等相關試驗（yàn）後投入正常（cháng）使（shǐ）用。然而，馬上（shàng）發生（shēng）第二次斷裂，且從運行數（shù）據顯示，根泵軸運（yùn）行時間將近1200h，第二（èr）根泵（bèng）軸運行時間不到（dào）450h，接連發生2次汽輪機主油泵斷軸（zhóu），不能定性為偶發性事件，同時在第二（èr）次斷軸後的檢查過程中發現，前箱一側前壓板的螺栓（shuān）鬆動，底（dǐ）板座螺孔牙紋拉裂脫落（luò）。
　　3　原因分析
　　3.1材質分析
　　該（gāi）汽輪機主油泵軸材質采用40CrA合金鋼，對2根斷裂的主油泵軸的化學成分、機械性能以及金相進（jìn）行（háng）檢查和分析。檢測結果表（biǎo）明：化學成分符（fú）合GB/T3077－1999標準；機械性能的檢測結果基本符合NB2074《經調質的一般鍛件和型鋼製件技術條件（南汽）》的要（yào）求（見表1），其中金屬機械性能塑性延伸強度（Rp0.2）偏低（dī）；斷（duàn）麵金相見圖2，顯示為珠光體＋鐵素體（tǐ），判（pàn）斷泵軸熱處理效果偏差。由此認為：主油泵（bèng）泵軸熱處理效果差導致了Rp0.2等機械性能指標低於或接近標準值。

表1 機械性能（40CrA）檢測結果

　　從2次斷軸的斷口（見圖2）觀察斷裂源，有較多（duō）台階，判斷（duàn）為（wéi）多源斷裂，該處為泵軸外徑變化的應力集中位置；擴（kuò）展區占（zhàn）整個斷麵較（jiào）大部分區域，且存在貝紋線；瞬斷區位於一側（cè）斷口邊緣，偏離斷（duàn）麵中心位置，說明泵軸在斷裂時受力不均。因此（cǐ）排除（chú）2次斷軸處存在（zài）沙眼、缺口等缺陷，判斷為（wéi）疲勞斷裂。

圖2 斷裂麵和斷麵金相

　　3.2安裝與結構方麵（miàn）分析
　　泵軸在安裝過程中，與油封環、浮動軸瓦之間（jiān）的間隙以及短軸（zhóu）晃度，包括主油泵安裝的所有參數均符合安裝設計要求。在汽輪機啟動運行期（qī）間，對前箱前端位置的各方向位（wèi）移量進行監測，發現前箱（xiāng）前端存在5mm的上抬，大於浮動（dòng）軸瓦自（zì）調節能力3mm的範圍。從前（qián）箱右側前壓（yā）板底板座螺孔牙紋脫落可以發現上（shàng）抬作用力非（fēi）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（jiē），分別為位於高（gāo）壓缸下缸（gāng）中分麵位置的貓爪和位於（yú）前箱底（dǐ）部位置的拉回裝（zhuāng）置，這（zhè）將導致在高壓缸（gāng）向（xiàng）前和向下膨脹（zhàng）不均時對前箱產生上抬的作用（yòng）力（lì）。基於以上（shàng）考慮，將圖3中位置2的貓爪橫銷前後（hòu）插板撤除，釋放貓爪對前箱推拉（lā）力。在機組滿負荷時測量前箱的上抬幅（fú）度為0.53mm，此上（shàng）抬量在（zài）浮動（dòng）軸（zhóu）瓦自調節能力範圍（wéi）之內。因此判斷前箱的（de）上抬導致超出浮動軸瓦的（de）浮（fú）動能力範圍，使泵（bèng）軸受力（lì），這是發生泵（bèng）軸斷裂的主要原因。

圖3 前箱布置

圖中，1為汽輪機前箱（xiāng）；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。

　　根據圖4所示進行架表測量，在貓爪橫銷插板撤除前後的（de）不同狀態下（xià），測得的（de）前（qián）箱上抬（tái）量和機組膨脹數據見表2。

圖4 架（jià）表位置示意

表2 前箱上抬量（liàng）數據

　　注：測量數據為正表示上抬，為負表示下（xià）沉。
　　從泵軸斷裂處分析，斷裂位置均在該軸葉輪（lún）安裝位置的Φ104－Φ86變徑處（chù），此處R角為R0.4，根據有（yǒu）限元分析（xī）結果，此處應（yīng）力為40MPa，是應力集中的薄弱部位。因此判斷應力（lì）集中也是此處產生斷（duàn）裂的誘因（yīn）之一。
　　4　處理與防範措施（shī）
　　針對2次斷軸情況，對主油泵及相關設備做以下處理：
　　（1）調（diào）整前箱與（yǔ）高壓（yā）缸連接的拉回裝置和貓爪的相（xiàng）互配合，將貓爪（zhǎo）橫銷處的前後插板撤除，消除前箱（xiāng）上抬。
　　（2）將泵軸Φ104－Φ86變徑處R角從R0.4提高（gāo）到R2.5，提（tí）高設計安全裕度，盡可能防止變徑處的應力集中（zhōng）現象。
　　（3）提升主油泵的泵軸材質，將原先的40CrA鋼更換為30Cr2Ni4MoV鋼。30Cr2Ni4MoV鋼廣泛應用於汽輪（lún）機低壓轉子，其綜合（hé）機械性能好，具有良好的衝擊韌性和和較低的韌脆性轉變溫度，較40CrA鋼具有更好（hǎo）的機械性能（néng），其技術（shù）規範數據見表3。

表3 機械性能（30Cr2Ni4MoV）

　　（4）在浮動軸（zhóu）瓦座位置安裝溫度探頭（tóu），監測浮動軸（zhóu）瓦運行狀態；在前箱頭部安裝上下（xià）位（wèi）移傳感器，監測前箱的上抬情況，對浮動軸瓦磨損（sǔn）情況進行檢查監控。
　　經過機組一年多時間的運行（háng）過程中對浮動軸瓦的監測，確認主油泵浮動軸瓦和泵軸狀態良好，主油泵運行正（zhèng）常（cháng），問（wèn）題（tí）得到了有（yǒu）效控製。
　　5　結語
　　通過以上分析得出，2個主油泵泵軸斷裂的直（zhí）接原因為（wéi）前箱的上抬超出了（le）泵軸本身的自調節能力（lì）範（fàn）圍，加上40CrA材質的泵軸熱處理工藝不理想使延伸（shēn）強度（Rp0.2）等機械性能偏低，從而使泵軸受力後在應力集中的變（biàn）徑（jìng）處產生疲勞斷（duàn）裂，同時機組的頻繁啟（qǐ）停也加速了斷（duàn）軸的發生。
　　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部件的設計、製造和安裝都應慎（shèn）重考慮和嚴格把關。針對參與電網調峰（fēng）的燃汽輪機的運（yùn）行常（cháng）態，設（shè）備製造廠須充（chōng）分考慮（lǜ）和防（fáng）範機組頻繁（fán）啟停機對設（shè）備運行安全帶來的不利影響。
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來源：《浙江電力》2018年第7期