潘航

（浙江省舟山市中海石油舟山石化有限公司，浙江 舟山 316000）

對于汽輪機組而言，汽輪機軸瓦的運行穩(wěn)定性被認為是評價設(shè)備運行效能的關(guān)鍵，但根據(jù)各地區(qū)的反饋情況來看，汽輪機軸瓦在運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各類問題，包括汽輪機軸瓦燒灼、振動以及溫度異常等現(xiàn)象，極大地威脅了汽輪機組的運行穩(wěn)定性。因此，為解決上述問題，應(yīng)構(gòu)建完整的汽輪機軸瓦故障處置與檢修體系，這也是本文研究的主要目的。

1 汽輪機軸瓦的燒灼問題

1.1 問題描述

汽輪機軸瓦燒灼是汽輪機組運行中較為常見的故障，是指在異常情況下，軸向位移突然超過安全值而造成工作面燒毀或者汽輪機軸瓦燒灼破壞等。以某100MW機組為例，在該設(shè)備啟動前未設(shè)軸向位移保護，在啟動后發(fā)現(xiàn)蒸汽異常，尤其是管道積水現(xiàn)象造成氣溫快速下降，根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示主汽管道、主氣門、調(diào)節(jié)氣門冒白汽，控制盤上顯示軸向位移、脹差滿表，最后造成汽輪機軸推力瓦磨損6mm 左右，機組嚴重受損。

1.2 問題原因分析

根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，造成汽輪機軸瓦燒灼問題的原因主要包括以下幾方面。

（1）主油泵壓力與流量均低于啟動油泵，造成特性不匹配，在汽輪機軸瓦并列運行下需要啟動油泵，但由于上述問題導致主油泵處于半工作狀態(tài)，一旦停止油泵啟動，則會造成主油泵的流量瞬間發(fā)生改變，入口處的壓力下降，潤滑油向主油泵的補油量快速增加，因此潤滑油壓突降而造成汽輪機軸瓦問題。

（2）渦輪泵出力不足，設(shè)計流量偏低，再加之橢圓瓦結(jié)構(gòu)下的潤滑油油耗快速增加，因此，在工況改變的情況下，可能造成油泵因為氣蝕現(xiàn)象造成油壓突然改變，再加之渦輪泵流量減少且轉(zhuǎn)速加大，會進一步加劇設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)的氣蝕問題，導致汽輪機軸瓦燒灼問題發(fā)生。

1.3 汽輪機軸瓦燒灼破壞的檢修措施

根據(jù)《防止汽輪機軸瓦損壞的技術(shù)措施》等相關(guān)規(guī)定內(nèi)容，在汽輪機軸瓦燒灼問題檢修中應(yīng)重點做好以下工作：（1）在汽輪機組運行過程中若發(fā)現(xiàn)回油溫度或者軸瓦鎢金溫度達到規(guī)定值時應(yīng)及時停機。（2）在汽輪機組日常維修階段，所有設(shè)計潤滑油系統(tǒng)的切斷操作（包括過濾器、啟動定速以及切換冷油器）都需要嚴格執(zhí)行操作票制度，現(xiàn)場操作人員在相關(guān)技術(shù)人員的監(jiān)督下緩慢進行，并與司機保持聯(lián)系，隨時監(jiān)督設(shè)備的油壓變化情況，若發(fā)現(xiàn)因為各種原因造成油壓變化均應(yīng)立即停止，確定油壓改變的原因。同時為保證，在操作中應(yīng)對可能存有空氣的部件與設(shè)備作排氣處理，確定空氣徹底排空后才能與潤滑系統(tǒng)連接。（3）當設(shè)備出現(xiàn)瞬間斷油、水沖擊或者其他原因造成的汽輪機軸瓦損壞問題后，應(yīng)先查明損壞原因再啟動設(shè)備。（4）應(yīng)保證直流潤滑油泵以及密封油泵系統(tǒng)的電源供給可靠，相關(guān)聯(lián)動裝置回路中裝有交流中間繼電器的情況應(yīng)改為直流中間繼電器，并提升線纜防火與耐火等級，保證系統(tǒng)安全。（5）采用平裝潤滑油系統(tǒng)截門的方式，該結(jié)構(gòu)可避免門桿斷裂后發(fā)生斷油現(xiàn)象，并且為方便后期管理，潤滑油系統(tǒng)與冷油器冷卻水系統(tǒng)之間的截門可改為明桿截門，方便相關(guān)人員隨時了解截門開關(guān)度變化并進行處置。（6）執(zhí)行嚴格的打閘停機技術(shù)規(guī)范。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的成功經(jīng)驗，為預(yù)防汽輪機軸瓦燒灼問題應(yīng)注意以下內(nèi)容：①當軸承回油溫度突然提升至70℃；②主軸瓦鎢金溫度大于等于80℃；③潤滑油泵啟動后，發(fā)現(xiàn)油壓低于規(guī)定值。

2 汽輪機軸瓦振動故障

2.1 汽輪機軸瓦振動破碎問題研究

2.1.1 問題描述

某廠一臺汽輪發(fā)電機組在2019 年4 月某日發(fā)現(xiàn)軸承潤滑油壓快速下降，停機檢查后發(fā)現(xiàn)汽輪機軸瓦碎裂現(xiàn)象嚴重，技術(shù)人員采取更換汽輪機軸瓦的措施，但在更新后運行一段時間又一次發(fā)生汽輪機軸瓦破碎現(xiàn)象。截止至2022 年5 月，近3 年時間，中共發(fā)生9 次汽輪機軸瓦破碎問題，為解決上述情況，期間技術(shù)人員采用了調(diào)整進油溫度、油壓以及優(yōu)化軸承連接剛度等技術(shù)措施，但均未得到有效解決，上述問題存在嚴重影響了該廠的正常生產(chǎn)運行。

2.1.2 汽輪機軸瓦振動破碎原因分析

為有效解決上述問題，技術(shù)人員對該汽輪機組展開詳細調(diào)查，從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當汽輪機的轉(zhuǎn)速達到3000r/min 時，設(shè)備軸頸在水平方向上產(chǎn)生了約為380μm 的位移，而垂直方向的位移量約為250μm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以認為，問題汽輪機組在3000r/min 工況下的最小油膜厚度不足30μm，但按照軸承的設(shè)計標準，汽輪機的最小油膜厚度應(yīng)大于等于60μm，由此可見，在上述工況下最低油膜厚度無法保證設(shè)備運行穩(wěn)定?；谏鲜龇治?，認為案例汽輪機組發(fā)生軸瓦振動破碎的原因主要包括：（1）軸頸振動值偏高而導致軸瓦承受了更多的交變荷載；（2）軸頸晃度異常；（3）軸頸水平位移量異常造成油膜厚度改變。

2.1.3 制定檢修方案

（1）調(diào)整軸系中心。為預(yù)防汽輪機軸瓦破碎問題，選擇通過調(diào)整軸頸中心的方法控制軸頸晃度值，因此在檢修階段將3 號軸承標高抬高100μm 來降低1 號軸承承擔的荷載，并沿著順時針方向?qū)? 號周正水平移動約100μm 的距離。經(jīng)過上述改動后，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在汽輪機組低速轉(zhuǎn)動條件下，軸頸的晃動幅度略有減?。浑S著轉(zhuǎn)動速度增加，軸承軸頸的偏移振動情況表現(xiàn)得越明顯，但與改造前相比，其水平方向的偏移量減少102μm，垂直方向的偏移量減少78μm，由此認為設(shè)備的最小油膜厚度值明顯增加，因此，1 號軸承的振動幅度也會明顯下降，但整體依然偏高。

（2）現(xiàn)場動平衡。為了進一步改善1 號軸承的軸頸振動現(xiàn)象，還需要對案例汽輪機組做動平衡，技術(shù)人員采取的措施包括：①改造汽輪機末級葉輪，即在葉輪上加重488g ∠180°，改造后結(jié)果顯示，1 號軸承的軸頸振動量明顯下降，但3 號軸承的振動量偏大。②第二次改造集中在對輪上，選擇將對輪加重550g ∠350°，改造后的試運行結(jié)果證實軸承振動量明顯下降，但1 號軸承的軸頸振動幅度增加。③第三次改造主要圍繞發(fā)電機兩側(cè)進行，即在3 號軸承一側(cè)加重300g ∠315°，在四號軸承上加重300g ∠135°。后期試運行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改造后軸系各點的振動量明顯下降，平衡效果滿意。

最后，經(jīng)過上述處置后，技術(shù)人員在正常工況下檢查汽輪機瓦軸的運行狀態(tài)情況，根據(jù)現(xiàn)場反饋的信息可以發(fā)現(xiàn)，在滿負荷狀態(tài)下1 號軸承軸頸在水平方向上的偏移量僅為134μm，而在垂直方向的偏移量約為122μm，此時，裝置最小油膜厚度達到了138μm，滿足安全生產(chǎn)要求。

2.2 汽輪機軸瓦油膜振蕩

2.2.1 故障描述

某企業(yè)工作人員發(fā)現(xiàn)某汽輪機組的3 號汽輪機軸瓦出現(xiàn)了嚴重的振蕩現(xiàn)象，整個振蕩持續(xù)時間約為80 分鐘，其中最大振蕩幅度約為141μm，同時比較3 號軸承與正常軸承的振動數(shù)據(jù)差異后發(fā)現(xiàn)，造成該軸承振動的主要原因是變頻振動分量異常，根據(jù)3 號軸承的機組帶負荷運行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該軸承的軸心位置呈抬高狀，最大提升量達到了205μm。

2.2.2 汽輪機軸瓦油膜振蕩的原因分析

一般認為，造成汽輪機軸瓦油膜振蕩的原因是軸承油膜自身存在技術(shù)缺陷，表現(xiàn)為軸瓦壓比偏低、軸承間隙配合超標或者軸瓦荷載分布不合理等。同時就設(shè)備本身而言，當因為內(nèi)外部因素造成減速荷載變化或者汽輪機進汽、抽汽等過程也會影響軸瓦的功能，導致油膜渦動發(fā)展為振蕩。

2.2.3 處理措施

在本次案例中，考慮到3 號軸承的運行狀態(tài)較差，并且為避免因為大幅度振動而引發(fā)嚴重后果，因此決定在設(shè)備運行期間采取以下應(yīng)對方案：（1）汽輪機組運行期間應(yīng)避免出現(xiàn)負荷較大的波動，以此來杜絕軸瓦荷載突然改變而影響油膜的性能。（2）考慮增加潤滑油的油溫來降低黏度，這也是抑制汽輪機軸瓦振動的有效手段，并且在設(shè)備運行后注意記錄軸瓦金屬溫度，避免因為高溫造成軸瓦燒灼。（3）合理利用機組停運機會做好搶修。在搶修后將兩側(cè)汽輪機軸瓦取下發(fā)現(xiàn)鎢金面嚴重磨損。

根據(jù)上述現(xiàn)場勘查結(jié)果，為杜絕汽輪機軸瓦油膜振蕩問題發(fā)生，技術(shù)人員采取了以下應(yīng)對措施：（1）圓滑過渡處理鎢金受損部位，修刮進出油口，增大軸瓦壓比。（2）采用軸瓦結(jié)合面車對口方法，將軸瓦頂部的縫隙由最初的0.53mm 下調(diào)0.10mm。（3）現(xiàn)場調(diào)整3 號軸瓦標高，盡量保證整個結(jié)構(gòu)的分布合理，因此選擇在軸瓦兩側(cè)墊塊位置設(shè)置0.05mm 墊片，確保墊片的接觸效果良好，無接觸不良情況。

2.2.4 效果評價

經(jīng)過上述處理后，汽輪機軸瓦油膜振蕩問題得到有效緩解，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，問題軸瓦的X 方向軸振幅約為45.8μm，Y 軸方向振幅約為49.1μm，未發(fā)現(xiàn)低頻成分，機組自改進后尚未發(fā)生汽輪機軸瓦油膜振蕩問題。

3 汽輪機軸瓦磨損問題

汽輪機軸瓦磨損失效是較為常見的故障，其主要原因包括以下幾方面。

3.1 軸頸轉(zhuǎn)動速度

有研究認為，汽輪機軸頸的轉(zhuǎn)動速度成為影響油膜性能的重要指標，其中在低轉(zhuǎn)速階段設(shè)備所形成的油膜較薄且承載力差；而隨著轉(zhuǎn)速的增加，油膜厚度不斷增加，承載力也會明顯增加，二者的關(guān)系可以用公式（1）描述。

式中，C 表示軸承特征因數(shù)；η表示潤滑油黏度，單位為MPa；n 表示設(shè)備的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；P 表示軸承單位承受的荷載，單位為kg/cm2。

根據(jù)公式（1）的相關(guān)內(nèi)容可知，當C 處于500 ～600 時軸承為穩(wěn)定的流體動力潤滑，而C 的水平越低則潤滑油膜越不易形成。因此，對于汽輪機而言，在設(shè)備停止、啟動過程中必然存在低轉(zhuǎn)速情況，一般當軸頸轉(zhuǎn)速低于153r/min 時C 值偏低，油膜的穩(wěn)定性差，此時任何細微的外界干擾（如油溫變化、振動等）都會導致油膜破壞而發(fā)生干摩擦問題，最終造成汽輪機軸瓦磨損，導致軸瓦表面粗糙。為解決上述問題，在設(shè)備停止、啟動過程中，應(yīng)適當提升轉(zhuǎn)速來強化潤滑因子水平，解決因為不能形成油膜而造成的摩擦破壞問題。也可以在汽輪機組頂部增設(shè)頂軸油泵，上述改造后，可使高壓力潤滑油進入軸頸下方，達到略微頂起軸頸的效果，其頂起高度約為0.05mm，即可有效緩解設(shè)備磨損破壞現(xiàn)象。也可以在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)的情況下向潤滑油中添加抗磨節(jié)能劑，該物質(zhì)可在軸瓦表面快速形成吸附膜，強化軸頸保護能力，可預(yù)防軸頸磨損破壞問題發(fā)生。

3.2 硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒

硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒對汽輪機軸瓦的破壞機制已經(jīng)得到了相關(guān)學者的廣泛關(guān)注，一般當顆粒的粒徑達到油膜厚度的1/10 時，即可產(chǎn)生嚴重的磨損破壞作用。此類細小顆粒經(jīng)潤滑流體動力學作用而出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，一旦進入潤滑油內(nèi)部后，會導致油膜動力承載特性明顯變化，大量硬質(zhì)顆粒的破壞作用會導致金屬表面出現(xiàn)嚴重的磨損與疲勞破壞，最終影響鎢金表面性能。同時，固體顆粒的存在也可能造成空氣滯留以及起泡、氧化等破壞作用，改變油膜強度，嚴重情況下可能造成油膜失效。以某企業(yè)為例，該企業(yè)汽輪機機組在運行期間所出現(xiàn)軸承金屬溫度升高以及軸瓦鎢金被碾壓問題，根據(jù)技術(shù)人員的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)生碾瓦破壞的軸承上均有較大劃痕，而下瓦則未碾壓部分也可發(fā)現(xiàn)劃痕，根據(jù)這一現(xiàn)象可發(fā)現(xiàn)潤滑油中有直徑較大的顆粒。而后續(xù)的油質(zhì)化驗結(jié)果也證明，油中有一定數(shù)量的機械雜質(zhì)。為預(yù)防上述問題發(fā)生，在檢修期間可采用以下應(yīng)對措施：（1）嚴格執(zhí)行現(xiàn)場環(huán)境管理工作，做到設(shè)備現(xiàn)場解體清掃，并貫徹落實油路系統(tǒng)管材配置工作，要求所有焊口應(yīng)做到100%氬弧焊打底。（2）保證油循環(huán)壓力，尤其是要提升焊口、三通以及彎頭位置的振打次數(shù)，確保內(nèi)部機械雜物快速脫落。（3）增加油箱清潔管理力度，必要時可對油箱單獨進行大流量循環(huán)。

4 結(jié)語

對于相關(guān)人員而言，在汽輪機軸瓦日常檢修處置中，應(yīng)高度了解汽輪機軸瓦燒灼、振動以及磨損破壞現(xiàn)象，盡早制定針對性的檢修措施，避免故障損失增加，爭取將設(shè)備故障控制在萌芽狀態(tài)，保證汽輪機正常運行，最終為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。