在火电机组深度调峰、灵活性运行的大背景下，主辅机转子裂纹故障风险显著上升，严重威胁机组安全稳定运行。某热电公司 350MW 机组低压转子裂纹的识别与处置，为运行中转子裂纹故障诊断提供了宝贵实践经验。本文将完整还原这起裂纹故障的发现、分析与确诊全过程。
一、机组基本情况
某热电公司 1 号机组为 350 MW 汽轮发电机组，汽轮机为 C350/295-24.6/0.4/569/569 型超临界、一次中间再热、三缸双排汽、单轴、湿冷、抽凝式汽轮机，配以 QFKN-412-2 型自并励静止励磁、空气冷却方式的三相二极隐极式转子同步汽轮发电机。
机组轴系由高压转子、中压转子、低压转子、发电机转子、励磁机转子及采用 N+1 结构支撑 7 个支持轴承组成。其中，汽轮机高压、中压和励磁机转子为单轴承支撑，低压转子和发电机转子为双轴承支撑。低压转子与发电机转子的半联轴器与相应转子锻造在一起，两半联轴器中间为盘车大齿轮，盘车大齿轮的两端面加工成止口的结构形式分别与低压转子、发电机转子联轴器止口相互配合。
该机组于 2023 年 8 月 14 日完成 168 h 试运。试运期间及投运初期，各轴承轴振幅均在 76 μm 以内，瓦振均不超过 15 μm。
二、故障前期征兆：振动异常逐步显现
- 3 号轴承轴振持续上升：从初期的 65μm 左右逐步增大至 90μm，截至 2024 年 5 月 16 日 C 级检修前，最大轴振幅已接近 110μm；
- 停机过程振动超标：C 修前停机时，2 号、3 号、4 号轴承最大轴振幅分别达到 145μm、195μm、145μm；
- 低压模块运行特殊：机组供暖期间，低压模块曾频繁采用 “切缸” 方式运行。
三、C 级检修：初步排查与问题处理
2024 年 5 月 20 日，机组启动 C 级检修，低压缸解体后发现多项问题：
- 末级叶片进汽背弧侧水蚀严重；
- 低压转子隔板汽封、叶顶汽封出现动静摩擦，正、反第 3、4 级隔板汽封处最为严重；
- 低压缸冷却蒸汽减温水喷头大面积脱落，低压导流环每侧 8 只喷头仅剩余 2 只；
- 低压缸水平中分结合面存在漏汽冲刷痕迹，出现局部间隙；
- 3 号、4 号轴承轴颈轻度磨损，推测为试运期间润滑油清洁度不良导致；
- 低压缸与凝汽器膨胀节处发现多处裂纹；
- 低压转子 - 发电机转子联轴器组合晃度超标，最大值达 0.17mm（标准值≤0.06mm）。
针对发现的上述问题进行了相应的处理。轴系重新找中，低压转子 - 发电机转子联轴器组合晃度和中心在合格范围。
四、检修后振动反复：故障根源未除
（一）首次启动振动异常
6 月 30 日，机组 C 修结束后启动。升速过程 2 号、3 号、4 号轴承最大轴振幅分别为 119、142、和 130 μm。定速 3000 r/min 后，3 号、4 号轴承最大轴振分别为 150、123 μm。
振动以 1 倍频分量为主，且基本呈反相，经试加后最终在低压转子末级叶轮平衡螺孔上加一组 1250 g 的反对称质量。
7 月 3 日加重后机组启动，10:24 定速 3000 r/min 时 3 号、4 号轴承最大轴振分别为 56、61 μm，机组带 100 MW 负荷运行初期振动基本稳定。
（二）负荷提升后振动突升
随后继续加负荷过程 4 号轴承轴振出现 3 次阶跃突升：
7 月 3 日 16:43:13，负荷从 100 MW 升至 150 MW 过程中，4 号轴承轴振突增 30~40 μm；
7 月 3 日 20:33:43，负荷从 150 MW 升至 170 MW 过程中，4 号轴承轴振突增约 30 μm；
7 月 4 日 09:33:19，负荷从 210 MW 升至 240 MW 过程中，4 号轴承轴振再次突增约 30 μm。
7 月 7 日机组额定负荷时，4 号轴承 X、Y 方向轴振已分别增大到 162、150 μm 左右。
4 号轴承轴振突跳的同时，相邻的 5 号和 3 号轴承轴振也同步增大，只是 5 号轴承原始振动基数较小，变化量值不很明显。
（三）临修排查联轴器问题
7 月 11 日至 14 日，2 号 - 4 号轴承轴振均呈缓慢增大趋势。根据振动多次突升以及持续爬升现象，制造厂怀疑低压转子 - 发电机转子联轴器发生松动（错位）。
考虑到振动已爬升到接近振动保护值，决定停机临修，揭缸检查低压转子和低压转子 - 发电机转子联轴器对中情况。
在 14 日停机前，2 号、3 号、4 号轴承最大轴振分别为 120、149、210 μm，瓦振分别为 23、26、22 μm，但 5 号轴承轴振变化不大，最大轴振不超过 30 μm。
在停机通过低压转子一阶临界转速时（约 1000 r/min），3 号、4 号轴承最大轴振分别为 283、498 μm。
临修中对低压缸揭缸检查，叶片、轴承、端部汽封、轴颈等未见异常，但发现低压转子 - 发电机转子联轴器组合晃度从 C 修回装值 0.06 mm 变化至 0.20 mm，分析为低压转子 - 发电机转子联轴器销孔配合间隙超差所致（配合间隙标准为 0.04~0.06 mm，解体实测间隙在 0.15~0.61 mm）。
对此问题通过现场重新镗孔、配制销栓进行了处理，回装配合间隙 0.03~0.05 mm，组合晃度值 0.06 mm。
（四）再次启动振动持续爬升
7 月 29 日，机组临修结束后启动，定速在 3000 r/min 时 3 号、4 号轴承最大轴振 1 倍频分量分别达 124、148 μm（临修时移拆除了 C 修期间在低压转子上添加的平衡重量）。
通过在低压末级叶轮平衡螺孔施加反对称质重量 950 g，7 月 30 日再次启动后定速在 3000 r/min 时 3 号、4 号轴承 1 倍频振动分量分别为 40、62 μm。
随后机组并网带负荷，但低压转子振动持续爬升，至 7 月 31 日 05:46，3 号、4 号轴承最大轴振分别达 134、210 μm，相邻 2 号、5 号轴承最大轴振分别为 97、35 μm，因振动爬升太快，有超限趋势，电厂决定打闸停机。
停机通过低压转子一阶临界转速时，3 号、4 号轴承最大轴振分别为 518、656 μm，停机过程中低转速阶段轴颈晃度正常。
五、振动数据分析：锁定转子裂纹嫌疑
通过对 7 月 14 日和 7 月 31 日 2 次振动恶化数据分析，低压转子工作转速和临界转速下的振动持续增大以及启停机过程振动的 2 倍频分量发生了明显变化，主要表现在：
1）带负荷运行低压转子振动持续爬升，调整运行参数、现场动平衡均无法控制振动爬升趋势；
2）停机通过一阶临界转速下的振动持续增大，7 月 31 日凌晨停机时 3 号、4 号轴承最大轴振分别超过 500、600 μm；
3）停机通过一阶临界转速下 3 号、4 号轴承最大轴振 2 倍频分量从 30 μm 左右分别增至 86、113 μm；
4）停机在 1/2 临界转速下 3 号、4 号轴承轴振出现明显 2 倍频振动峰值，2 倍频振幅从以前的 20 μm 左右（无峰值）增大到分别出现 56 μm 和 75 μm 峰值（启动过程在 1/2 临界转速下也产生 2 倍频峰值）。
综上分析，目前低压转子自身可能出现了刚度不对称变化（即产生裂纹）。经讨论决定再次揭开低压缸，抽出低压转子进行详细探伤检查。
图1 7 月31 日停机过程4 号轴承Y 方向轴振伯德曲线
六、探伤验证：确诊转子裂纹
8 月 10 日，清除部分氧化皮后，对低压转子反向第 1 级进汽侧轮毂根部 R 角部位进行表面渗透检测发现长约 770 mm 的周向裂纹（图 2），后经磁粉检测验证确认。另外在进汽口的汽轮机侧（调侧）和发电机侧（电侧）均存在整圈分布的细小周向裂纹丛。
图2 低压转子反向第1 级进汽侧轮毂根部R 角部位 周向裂纹
采用电位法裂纹测深仪对长裂纹及小裂纹深度进行了测量。长裂纹端部深度约为 7.7~21.3 mm，裂纹中部深度约为 93.3~99.0 mm；小裂纹测量深度约为 0.3~0.8 mm。考虑到转子裂纹情况，决定将该低压转子报废处理。
七、案例启示
该 350MW 汽轮机低压转子裂纹识别案例，充分验证了振动分析在运行中转子裂纹故障诊断的重要性。
- 机组频繁变负荷、“切缸” 运行等工况，会加剧转子交变热应力，增加裂纹萌生与扩展风险；
- 振动持续爬升、动平衡无效、2 倍频分量增大、临界转速下振动异常等特征，是判断转子裂纹的关键依据；
- 及时通过振动监测捕捉故障征兆，可避免裂纹进一步扩展导致的转子断裂等灾难性事故，为机组安全运行提供保障。
