姜小龍

1 軸承工作原理及影響因素

根據(jù)潤滑理論，對于動壓滑動軸承，如果軸承負(fù)載過輕，軸承油膜過厚，油膜容易失穩(wěn)而發(fā)生油膜振蕩；如果軸承負(fù)載過重，油膜容易破裂而產(chǎn)生軸承和軸頸局部干摩擦而使軸瓦溫度升高。為使軸承油膜不致過厚也不致過薄，即不發(fā)生油膜振蕩也不致軸瓦溫度過高，就必須找出油膜厚度與軸承負(fù)載等參數(shù)之間的關(guān)系，即通常監(jiān)視的軸承溫度和振動反應(yīng)油膜厚度狀態(tài)。影響油膜工作狀態(tài)的原因很多，大致分析歸類如下。

軸承鎢金澆鑄質(zhì)量不良。澆鑄質(zhì)量不良，結(jié)合不佳，存在脫胎現(xiàn)象，當(dāng)承受動載荷或溫度變化時(shí)，結(jié)合不牢，脫胎現(xiàn)象將進(jìn)一步加劇。

軸承負(fù)載分配不均。轉(zhuǎn)子中心偏差、軸承溫度和揚(yáng)度變化，軸振動過大，轉(zhuǎn)子受到向下的力過大、轉(zhuǎn)速超過允許值，軸封漏汽引起軸承座標(biāo)高發(fā)生變化等，都可能產(chǎn)生軸承載荷分配不均。

軸承球面自動調(diào)整能力差。軸承間隙過小或過大，軸承緊力過大，可傾瓦墊塊方向裝反限制活動的范圍，軸承安裝偏斜，軸承底座墊片增加的過多，軸承與軸頸揚(yáng)度不一致（不同心）等，都可能使軸承球面自動調(diào)整能力變差。

軸承潤滑油油質(zhì)差。汽輪機(jī)潤滑油的主要作用是潤滑軸承和減少軸承的摩擦損失以及冷卻軸承的作用。潤滑油油質(zhì)的優(yōu)劣將直接影響著汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性。油溫過高或過低、潤滑油黏度不符、油流量過大或過小、回油不暢、潤滑油斷油、油質(zhì)不良或油質(zhì)惡化，其中潤滑油壓力過低或過高，潤滑油中雜質(zhì)的進(jìn)入是油質(zhì)劣化的重要原因，油流中或軸承內(nèi)存在氣體或雜物，頂軸油管逆止閥不嚴(yán)，油膜壓力下降等，都可使軸承溫度升高造成軸承損壞和軸徑拉傷。

2 660 MW機(jī)組軸瓦溫度高的事故簡介

某電廠的3號機(jī)組為超超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)機(jī)組，型號為N660-25/600/600，機(jī)組設(shè)計(jì)為1號、2號軸承可傾瓦，其余為橢圓瓦。該機(jī)組在2011年投運(yùn)后1號、2號軸承溫度一直偏高，其中1號軸承溫度達(dá)104℃左右。故障首次發(fā)生在2012年的一次停機(jī)惰走過程，該機(jī)組在22:14脫扣，當(dāng)機(jī)組惰走到900 r/min時(shí)，1號軸承溫度達(dá)到105℃，出現(xiàn)高溫報(bào)警；當(dāng)轉(zhuǎn)速在60 r/min時(shí)突然下降到0，這時(shí)1號軸承溫度突升到160℃左右。這次停機(jī)惰走時(shí)間共45分鐘，比以往明顯縮短。隨后手動投入盤車，馬達(dá)電流23 A，偏心90μm，聽棒在前軸承箱處可聽到碰擦聲音。盤車投入約1小時(shí)后馬達(dá)電流恢復(fù)到正常值22 A，偏心逐漸下降到0。這過程大約在23:35結(jié)束，從1號軸承回油窗中取出片狀和條狀的烏金碎屑。解體后發(fā)現(xiàn)上下瓦塊的水平結(jié)合面積聚大量片狀烏金碎屑，并有部分烏金碎屑嵌在上瓦烏金面內(nèi)。通過對軸承油隙的測量，估算下面兩塊軸瓦烏金至少熔掉0.4 mm，軸頸未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕和拉毛缺陷。隨后使用超聲波對該機(jī)組的所有軸瓦進(jìn)行探傷檢查，發(fā)現(xiàn)多個(gè)軸瓦結(jié)合面有邊緣脫胎現(xiàn)象。檢查結(jié)果如表1。

表1 軸瓦無損探傷檢測結(jié)果表

此外有部分軸瓦出現(xiàn)線性顯示，但處于GB/T18329.1-2001標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

3 超聲檢測可行性分析

軸瓦是由巴氏合金與鋼質(zhì)基體兩種金屬結(jié)合，如圖1所示，對于粘合部位相當(dāng)于異質(zhì)界面，而對于未結(jié)合部位而言相當(dāng)于巴氏合金與空氣相接。由于軸瓦背面鋼質(zhì)基體形狀不規(guī)范，因此檢測時(shí)選擇在將探頭放在巴氏合金一側(cè)，超聲波遇到異質(zhì)界面時(shí)既有透射也有反射，若超聲波由巴氏合金層到空氣界面時(shí)則會發(fā)生全反射，若異質(zhì)界面是鋼則反射率R低，根據(jù)反射率公式（1）。

圖1 #3—#7軸瓦結(jié)構(gòu)圖

其中P0為入射聲壓；Pr為反射聲壓；R為聲壓反射率，Z1為介質(zhì)l聲阻抗；Z2為介質(zhì)2聲阻抗。在錫基合金結(jié)合良好的情況下，介質(zhì)2為鋼，介質(zhì)1為錫基合金，由式（1）計(jì)算可知此時(shí)反射聲壓為：

在錫金合金未結(jié)合情況下，介質(zhì)2為空氣，介質(zhì)1為錫基合金，由式（1）計(jì)算可知此時(shí)反射聲壓為：

根據(jù)有關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)和實(shí)測結(jié)果，取

ρ巴=7.3×103kg/m3，

C巴=3.4×103m/s，

ρ鋼=7.8×103kg/m3，

C鋼=5.9×103m/s，

代入公式（1）得：

R巴鋼=29.5%，

R巴氣=100%。

因此以巴氏合金與空氣界面的100%反射為基準(zhǔn)，則結(jié)合部分的異質(zhì)界面反射波高為29.5%，即低于30%，由于未粘合部位夾層介質(zhì)的聲阻抗介于空氣和鋼之間，因此反射率會高于30%。由此得出巴氏合金的檢驗(yàn)方法如下：調(diào)整靈敏度，將曲面探頭放到相應(yīng)的曲面試塊上調(diào)節(jié)波形，使最高次反射波達(dá)到滿屏高100%，在增益衰減均不變的情況下在工件上檢測，若最高次反射波達(dá)到30%以上，同時(shí)在其他面能出現(xiàn)兩次以上回波，則此可判斷此位置為未結(jié)合部位[1]。

圖2 #1軸承溫度與調(diào)門開度的關(guān)系

4 事故分析

4.1 系統(tǒng)分析

事故后對機(jī)組運(yùn)行工況與軸瓦溫度的變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)1號軸瓦金屬溫度與負(fù)荷、調(diào)門開度、調(diào)節(jié)方式等有密切關(guān)系，在不同的負(fù)荷段，該軸瓦溫度與負(fù)荷之間有相反的變化的關(guān)系：在負(fù)荷小于600 MW時(shí)，軸瓦溫度隨負(fù)荷的增加而增加，而在大于600 MW以后，軸瓦溫度卻隨負(fù)荷增加而降低。由圖2可以發(fā)現(xiàn)：負(fù)荷低于600 MW時(shí)，4號調(diào)門全閉，1、2號調(diào)門隨負(fù)荷增加而開大，3號調(diào)門開度雖然較小，但到600 MW以上時(shí)也隨負(fù)荷增加而開大，軸瓦金屬溫度峰值出現(xiàn)在3號調(diào)門開大而4號調(diào)門未開時(shí)。在負(fù)荷大于600 MW以后，1、2號調(diào)門全開，3號調(diào)門開度達(dá)到15%，4號調(diào)門開啟，之后隨負(fù)荷增加3、4號調(diào)門逐漸開大，在這個(gè)階段軸瓦金屬溫度出現(xiàn)隨負(fù)荷增大而降低的趨勢。當(dāng)機(jī)組在全周進(jìn)汽方式運(yùn)行時(shí)，即四個(gè)調(diào)門開度一致時(shí)，負(fù)荷的變化不會引起軸瓦金屬溫度的變化，始終為85℃左右。由上面分析可知，1號軸瓦溫度與調(diào)門開啟過程有明顯的關(guān)系。

圖3 #1軸承高壓調(diào)門分布

1號軸瓦采用的是自位式可傾瓦，共有4塊軸瓦，其位置同圖3所示的噴嘴弧段位置一致，軸瓦的溫度測點(diǎn)在右下半底部瓦塊上。該種軸承適用于溫度變化較大的場合，但為了適應(yīng)轉(zhuǎn)子傾角的變化，對轉(zhuǎn)子中心度有較高要求。當(dāng)機(jī)組采用噴嘴調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)速汽門相應(yīng)開啟，蒸汽進(jìn)入不同的噴嘴弧段，通過調(diào)節(jié)級葉片做功，這時(shí)軸承上承受的負(fù)載的大小和方向是處于變化狀態(tài)的。在1號、2號調(diào)門同步開啟過程中，轉(zhuǎn)子受向下的作用力，隨著1號、2號調(diào)門開大，軸瓦負(fù)載變大，溫度升高。但3號調(diào)門開啟后，轉(zhuǎn)子又受到一個(gè)指向右上方的作用力而使轉(zhuǎn)子向右下方偏移，使右下部瓦塊的負(fù)載變大，導(dǎo)致軸瓦溫度進(jìn)一步升高。隨著4號調(diào)門開啟后，轉(zhuǎn)子的偏移量得到扼制，亦改善了軸瓦的偏載量，因此軸瓦溫度開始下降。1號軸瓦下部兩塊瓦塊溫度和調(diào)門開度的關(guān)系如圖4所示，圖4中可以清楚看出兩塊瓦塊的溫度差異。因此換成部分進(jìn)汽方式后，1號軸瓦溫度會明顯升高，且隨部分進(jìn)汽量的改變而變化。進(jìn)汽方式的變化以及部分進(jìn)汽量的改變，相應(yīng)改變了原來作用在1號軸瓦上的均勻分布載荷，這種不平衡達(dá)到一定程度后，油膜穩(wěn)定性被破壞，從而導(dǎo)致軸瓦溫度的突然升高。

圖4 #1軸瓦下部兩塊瓦塊溫度和調(diào)門開度的關(guān)系

表2 下瓦巴氏合金化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表%

考慮到在同型號的其他機(jī)組中也出現(xiàn)1號軸瓦溫度過高的情況，這說明該類機(jī)組的1號軸瓦在工作穩(wěn)定性設(shè)計(jì)上是可能存在問題的。查閱廠家圖紙發(fā)現(xiàn)該型號機(jī)組在設(shè)計(jì)上1號軸承沒有頂軸油，由于轉(zhuǎn)子太重，轉(zhuǎn)動時(shí)軸頸在軸承內(nèi)無法形成油膜或者油膜不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致1號軸瓦運(yùn)行中溫度偏高。為了維持和提高運(yùn)行中軸瓦工作穩(wěn)定性，保持良好的潤滑，經(jīng)與廠家商榷，變更設(shè)計(jì)，增加頂軸油，適當(dāng)放大1號軸瓦的潤滑油進(jìn)油節(jié)流孔板孔徑，加大該軸瓦的供油應(yīng)是一個(gè)可行的方法。另外1號軸瓦烏金磨損在低轉(zhuǎn)速下即油膜失穩(wěn)后加劇，分析原因主要是該機(jī)組主機(jī)油溫切換目前是定在轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)進(jìn)行，即轉(zhuǎn)速在900 r/min以上油溫為42℃，900 r/min以下為35℃。機(jī)組冷態(tài)啟動時(shí)，由于須在1 900 r/min進(jìn)行中速暖機(jī)，所以油溫的提高有足夠的時(shí)間，而在停機(jī)轉(zhuǎn)子惰走中，由于無中間轉(zhuǎn)速停留，油溫下降的速度相對滯后于轉(zhuǎn)速的下降，易發(fā)生低轉(zhuǎn)速下油膜破壞現(xiàn)象。所以可以適當(dāng)提高油溫的切換轉(zhuǎn)速值來改變這種問題的發(fā)生[2]。

4.2 理化分析

針對其他瓦塊出現(xiàn)脫胎現(xiàn)象，使用752型紫外可見光光度計(jì)對脫胎的下瓦合金層取樣進(jìn)行了化學(xué)成分和金相分析，化學(xué)分析結(jié)果見表2，其中軸瓦合金材料為：ZSnSb12Cu6Cdl。

由表2可見到銻含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；兩次檢驗(yàn)銅含量均超出了標(biāo)準(zhǔn)要求上限，鎳、鎘和砷含量均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，雜質(zhì)元素鉛和鋅含量均超出了標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。軸瓦下瓦錫基合金元素總量明顯偏離了標(biāo)準(zhǔn)要求。因此汽輪機(jī)軸瓦下瓦巴氏合金化學(xué)成分明顯偏離標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 巴氏合金基體金相組織

此外對巴氏合金層基體和靠近結(jié)合面處取試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)。在顯微組織中可觀察到合金組織如圖5所示，分三種：黑色基體、白色方形和白色顆粒，根據(jù)最新金相圖譜大全分析判斷黑色基體為α固溶體、白色方形相為β(SnSb)、白色小顆粒相為ε（Cu6Sn5）。由下瓦靠近結(jié)合面處金相試樣分析可看到，如圖6所示，組織中化合物在靠近結(jié)合面處存在厚度不均勻的連續(xù)的β相層+零星淺色顆?；驍嗬m(xù)的淺色層，存在輕度偏析[3]。β相硬而脆，在結(jié)合面處存在連續(xù)并且厚度不均勻的β相有可能會降低界面的結(jié)合強(qiáng)度。合金層與鋼背結(jié)合處附近合金層的顯微組織對軸瓦的粘合強(qiáng)度影響很大，硬而脆的ε和β相如偏聚在結(jié)合面附近，容易構(gòu)成脆性帶，當(dāng)軸瓦受沖擊載荷時(shí)，合金層容易剝落。

圖6 巴氏合金靠近結(jié)合面處金相組織

由化學(xué)分析可知，下瓦銅元素含量明顯超標(biāo)，ε相比例增加，這導(dǎo)致合金強(qiáng)度增加，但同時(shí)塑性和韌性卻大大降低，合金抗交變和抗沖擊載荷作用的能力降低，影響巴氏合金與鋼質(zhì)基體的結(jié)合質(zhì)量，容易碎裂和剝落。此外，鑄造溫度一般只需高出初晶溫度50℃～100℃即可，而ε相結(jié)晶溫度是隨銅含量變化的，所以鑄造溫度一般由銅含量決定。銅含量超標(biāo)容易使得根據(jù)名義成分確定的澆鑄溫度可能顯著低于實(shí)際成分對應(yīng)的最佳澆鑄溫度，從而影響合金層的澆鑄質(zhì)量。合金層中含有過多的鉛將降低合金的沖擊韌度及高溫性能。鋅含量的變化會明顯影響β相的變形和聚集。綜合以上化學(xué)分析及金相分析得知，下瓦錫基巴氏合金元素總量超出標(biāo)準(zhǔn)要求，β相在靠近結(jié)合面處出現(xiàn)輕度偏析等導(dǎo)致下瓦巴氏合金層出現(xiàn)脫胎[4]。

5 結(jié)論

5.1 運(yùn)行方面

機(jī)組啟動和正常運(yùn)行中，將軸承溫度作為重要的監(jiān)視參數(shù)，并且根據(jù)機(jī)組工況變化，分析變化趨勢，與歷史數(shù)據(jù)、控制數(shù)值、機(jī)組首次安裝啟動或與大修后數(shù)值對比，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)控。調(diào)速汽門開啟順序優(yōu)化，既要考慮軸承載荷又要考慮轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性；機(jī)組油溫和壓力保持在正常范圍內(nèi)，油質(zhì)符合規(guī)定；軸封壓力保持在正常范圍內(nèi)，保證不外漏和油中不進(jìn)水。

5.2 檢修工藝

制定嚴(yán)格的軸承檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)，按照檢修文件來進(jìn)行，加強(qiáng)人員的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。軸承承載力按照設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)行分配，軸承重載比軸承輕載抗氣流激振性能強(qiáng)，提高軸承的穩(wěn)定性，軸承檢修后各部間隙、進(jìn)油流量、接觸面積、軸瓦緊力，軸系揚(yáng)度、軸承載荷等負(fù)荷檢修工藝規(guī)程。汽封間隙要合理，符合制造廠規(guī)定，間隙過大軸封漏汽過大、加熱軸承座，使軸承座標(biāo)高抬高，尤其#2軸瓦，使#1軸瓦承載力減小，穩(wěn)定下降。

5.3 制造工藝

在制造過程中應(yīng)加強(qiáng)對軸瓦材料質(zhì)量及制造過程的控制，防止產(chǎn)生軸瓦掛錫層，從而預(yù)防剝落現(xiàn)象發(fā)生。在錫基軸承合金中，由于α、β、ε三種相間存在比重差別，當(dāng)離心鑄造時(shí)，在離心力的作用下，比重大的ε相于外層析出較多，而比重小的β相則在內(nèi)層出現(xiàn)，因此容易構(gòu)成偏析。為防止此類缺陷的產(chǎn)生，可采取如下的措施：在澆鑄前盡力攪拌溶液，使其均勻分布而ε相不致下沉；或在采用離心鑄造時(shí)，根據(jù)軸承的大小，選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速來改善比重偏析。

［1］國家能源局.汽輪發(fā)電機(jī)合金軸瓦超聲波檢測［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［2］汪玉林.汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行及事故處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］高強(qiáng).最新有色金屬金相圖譜大全［M］.北京：中國冶金工業(yè)出版社，2005.

［4］巴發(fā)海，李晉升，龔應(yīng)時(shí).核電站大型巴氏合金軸瓦失效分析［J］.理化檢驗(yàn)—物理分冊，2006，42（7）：355-359.