汽轮发电机组轴系断裂事故的原因和应对措施

汽轮机轴系断裂事故后果极为严重，甚至造成机组毁坏报废。造成轴系断裂的原因很复杂，国内外已发生的轴系断裂事故，大都发生在机组严重超速事故中，其技术原因除超速产生的离心力、剧烈振动引起的破坏外，也与轴系连接件质量不良有关。

【事故现象】

现象包括：听到升速叫声，机组严重超速，发生剧烈振动，轴系断裂多处，机组严重损坏。

【原因分析】

（1）机组主、辅设备的保护装置不能正常投入，振动超限。

（2）转子不合格，或转子有缺陷，转子存在着严重的材质缺陷。

（3）发电机非同期并网。发电机非同期并网，使转子的扭矩剧增，对机组尤其是对转子产生的损害非常大，轻则损害转子的寿命，重则将导致机组轴系的严重毁坏事故。

【预防措施】

防止轴系断裂事故应采取的主要措施如下：

（1）认真落实防止超速的各项措施，切实防止发生机组超速，以免超速后由于其他技术原因引起设备扩大损坏，造成轴系裂。

（2）减少轴系不大平衡因素，采取防止油膜振荡、扭振的措施都是涉及面比较广的专业技术问题，可根据设备情况组织专业技术人员研究制订针对性措施。

（3）鉴于对轮螺栓断裂故障频繁，有关部门和制造厂提出了改进措施，即采用抗疲劳性能较好的钢种，如40CrNiMoA 钢材，并改进螺栓设计加工工艺、装配工艺。同时还要定期对螺栓进行探伤检验，目前已有不拆卸螺栓进行损伤检验的手段，上述措施实施后，对轮螺栓断裂故障明显下降。

（4）定期对大轴、大轴内孔、发电机转子护环等部件进行探伤检查，以防止产生裂纹导致轴系严重损坏事故。

（5）在机组起、停过程中适当降低汽轮机金属温度变化率，以减少热应力。

（6）对于蠕变损伤部件，在更换之前可适当降低运行蒸汽参数。

（7）机组冷态启动前，注意预暖措施，使汽缸、转子均匀地加热到一定温度。

（8）严格按超速试验规程的要求，在带25%负荷运行3～4h后方可进行超速试验。

（9）监视轴和轴承座的振动，特别要注意与轴温度场有明显关系的强烈振动。

（10）防止机组严重超速，采用机、炉、电大联锁运行方式。

（11）一般不作为两班制调峰机组使用，并尽可能减少机组的启、停次数。

【事故案例1】(www.xing528.com)

1.事故简述

某电厂#1汽轮机CC140/N200—12.7/535/535型超高压一次中间再热两段抽汽凝汽式机组，由哈尔滨汽轮机厂制造。1999年8月，0∶30机组负荷为155MW 运行，值长令加负荷到165MW；1∶00，值长令加负荷到170MW，主蒸汽压力为12.6MPa，主蒸汽温度535℃，蒸汽流量536.9t/h。47∶30后，“高、中压主汽门关闭”、“抽汽逆止门关闭”光字牌报警，监盘司机喊“机跳了”。47∶32，交流、直流润滑油泵联动良好。47∶37，发电机出口开关5532跳闸，有功负荷到“0”，6kV 厂用电备用电源联动成功。值长来电话向单元长询问情况，单元长告：“01号机、发电机跳闸”。值长当即告：“立即查明保护动作情况，对设备详细检查，有问题向我汇报”。单元长令：“汽机、电气人员检查保护及设备情况”。司机、助手到保护盘检查本特利保护，回来后向单元长汇报：“没有发现异常”。汽机班长检查完设备汇报单元长说：“设备检查没问题”。电气班长确认后汇报：“发电机跳，6kV 厂用正常联动备用电源，电气保护无动作，只有　‘热工保护动作’光字牌来信号。”单元长向值长汇报：“检查保护和设备都没发现问题”。值长告：“如无异常，可以恢复”。随即单元长告汽机班长：“汽机挂闸，保持机3000r/min。”汽机班长到就地机头处操作，手摇同步器由30mm 退至到“0”位，同时令司机助手去检查设备情况，助手回来后汇报：“机组检查正常，主轴在转动中”。这时班长操作同步器增加行程时发现高、中压主汽门未开，告助手去复归“热工保护动作自保持复归按钮”，当检查就地压力表立盘时发现调速油压很低，对从控制室返回来的助手说：“把调速油泵转起来”。调速油压恢复后，汽机班长到机头再次挂闸，逐步增加同步器行程，高、中压主汽门开启，行程达8mm 时回到主控制室，准备用电调升速，设定目标转速3000r/min，升速成率为300r/min，按进行键，此时转速实际值未能跟踪目标值，同时“高、中压主汽门关闭”信号光字牌亮，汽机班长根据经验分析认为电调不正常，向单元长汇报，并请示切液调运行，单元长同意。汽机班长到机头处将同步器退到“0”位，通知司机将电调切为液调运行，挂闸后同步器行程为8mm 时，高压主汽门已开启，达11mm 时，转速表显示100r/min左右。1∶56∶30，当准备检查调速汽门开度时，听到主汽门关闭声，同时一声巨响，发电机后部着火，机组严重损坏。轴系断为11段，10个断裂面，其中5处为轴断裂，4处为对轮螺栓断裂，1处为齿型联轴器失效。齿轮联轴器的失效，在运行中造成主油泵小轴与汽轮机主轴脱开。

2.原因分析

主油泵停止工作，转速失去监测，调节系统失控。几种因素耦合的特殊工况致使低压缸铸铁隔板在压力波冲击作用下碎裂是轴系损坏的主要原因。由于主油泵不能工作、调速油压低、中压主汽门前压力高、转速失去监测、调节系统失控等条件耦合，导致机组启动时中压汽门滞后于高压汽门而突然全开的特殊工况。低压缸铸铁隔板的碎裂损坏，使静、动部件严重碰磨，机组发生强烈振动，是转子断裂、轴系破坏的主要原因。运行人员缺乏正确的判断能力，是偶发中压缸瞬时进入大量蒸汽特殊工况的主要原因之一。齿型联轴器的失效，导致转速失去监测、调节系统失控，中压缸瞬时进入大量蒸汽特殊工况，这种情况在国内从未发生过，现场运行人员对此缺乏正确的判断能力，对转速表的异常指示没能做出全面的综合分析，运行人员认为“无异常”，仍按正常操作程序进行启动，是发生中、低压缸瞬时进入大量蒸汽特殊工况的条件之一。

【事故案例2】

1.事故简述

1988年2月12日16∶06，某发电厂200MW#5汽轮发电机组，在进行提升转速的危急保安器动作试验时，发生了轴系断裂的特大事故。轴系的7处对轮螺栓、轴体5处发生断裂，共断为13断，主机基本毁坏。

这次提升转速的危急保安器动作试验是在机组于2月12日5∶52与电网解列后，用超速试验滑阀，在接近额定主蒸汽参数及一级旁路开启的情况下进行的。

做#1飞锤提升转速试验时，#6机司机将#5机盘上转速表揭示3228r/min，误看为3328r/min，并手按集控室的停机按钮，使机组跳闸，但并未与机头的试验人员联系，致使他们误认为#1飞锤已经动作。

在场人员提供，在做#2飞锤提升转速试验过程中，当机组转速升到3302r/min时，听到有类似于汽门动作的声音，试验人员误认为#2飞锤已动作，将超速试验手柄放开，后确认#2飞锤并未动作。当转速降至3020r/min时未发现异常，请示在场总工程师后，继续进行#2飞锤动作试验。

根据在场人员的回忆，先听到升速叫声，看到副励磁机喷出灰尘，然后听到一声闷响，发电机端部着火，此时一名民工腰部被残片击中，在东头的人员听到一声闷响后随即看到#1瓦盖翻起，高压后汽封喷出蒸汽，试验人员跌倒。从听到升速叫声到发电机端部着火时间约6～8s，在此期间，据在场人员称并未感到剧烈振动，个别人反映发电机端部着火后又有一声响。

电厂有关领导指挥广大职工和消防队员奋力扑火，火焰于16∶28扑灭，一人被残片击伤。

2.原因分析

这次事故是由油膜失稳开始的，突发性、综合性强烈振动造成的轴系严重破坏。该机组的轴系稳定性裕度偏低和机组转速飞升超速到3500～3600r/min是酿成这次事故的主要起因。它是一次综合原因引起的技术事故。

3.预防措施

为防止某#5机事故的重演，提高同类机组的可靠性，采取以下措施：

（1）改进调速系统设计，使其工作范围上限适当提高；改进超速试验，便于准确操纵，尽快对同类机组的调速器滑阀和超速试验进行一次普查，解决危急保安器的试验问题；提高超速保安装置的动作可靠性；重视热工检测系统的配备，保证仪表的工作完好率，加强机组关键运行参数的监测、保护、记录和记忆。

（2）研制稳定性良好的轴承，确定各轴承的合理相对标高，提高轴瓦的制造质量及安装工艺，研究轴系重要螺栓的必要预紧力与防松措施，提高中低压转子接长轴的制造和安装质量，制定运行机组的合理许可值。

（3）为从根本上采取有力措施，提高其运行的可靠性和安全性。