660 MW 汽輪機(jī)組軸瓦溫度異常的分析與處理

陳華桂，秦惠敏，戴興干

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102)

某電廠一期工程安裝了2 臺(tái)660 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組，汽機(jī)型號(hào)為N660-25/600/600，是上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-660-2，是上海汽輪發(fā)電機(jī)廠制造的水—?dú)洹獨(dú)淅鋮s三相同步汽輪發(fā)電機(jī)。汽輪機(jī)4個(gè)轉(zhuǎn)子分別由5 只徑向軸承來支承。除高壓轉(zhuǎn)子由2個(gè)徑向軸承支承外，其余3個(gè)轉(zhuǎn)子，即中壓轉(zhuǎn)子和2個(gè)低壓轉(zhuǎn)子均只有1 只徑向軸承支承。5個(gè)軸承均采用橢圓瓦，分別坐落在5個(gè)軸承座內(nèi)。2 號(hào)軸承座位于高壓缸和中壓缸之間，在2 號(hào)軸承座內(nèi)裝有徑向推力聯(lián)合軸承，整個(gè)軸系是以此為死點(diǎn)向兩頭膨脹。

1 瓦溫異常情況

機(jī)組軸系支承簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)組軸系支承簡(jiǎn)圖

該型機(jī)組1 號(hào)徑向軸承由上半和下半殼體、支撐墊塊和定位鍵等組成。軸承殼體內(nèi)側(cè)設(shè)有巴氏合金，通過圓錐銷和螺栓聯(lián)結(jié)在一起。軸承金屬測(cè)溫元件采用熱電偶。軸承安裝在球形座上，這種球面結(jié)合，使得軸瓦能按轉(zhuǎn)子的撓度和傾斜程度自動(dòng)調(diào)整定位，使軸頸與軸瓦處在較好潤(rùn)滑狀態(tài)下工作[1]。

2 號(hào)機(jī)組自2012年2 月9 日并網(wǎng)運(yùn)行以來，在供油母管潤(rùn)滑油溫度維持在42～46℃的情況下，1號(hào)軸承下瓦3個(gè)金屬溫度測(cè)點(diǎn)隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的推移逐步升高，瓦溫最高值由最初的72℃上升至104℃，并且下瓦金屬溫度隨著機(jī)組負(fù)荷的變化出現(xiàn)波動(dòng)，升負(fù)荷時(shí)下瓦金屬溫度降低，降負(fù)荷時(shí)下瓦金屬溫度升高，趨勢(shì)如圖2 所示。到3 月下旬，機(jī)組負(fù)荷660 MW時(shí)下瓦溫度高點(diǎn)為77℃，機(jī)組負(fù)荷330 MW時(shí)下瓦溫度高點(diǎn)為104℃，溫度變化幅度已達(dá)27℃，且每次機(jī)組負(fù)荷降至330 MW 運(yùn)行時(shí)，1 號(hào)軸承下瓦大多會(huì)出現(xiàn)了一次瓦溫飆升后的回落，如圖3 所示，后期越來越頻繁。與此同時(shí)，1 號(hào)軸承處的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)隨著機(jī)組負(fù)荷的變化也有小幅波動(dòng)，波動(dòng)幅度在15 μm 左右，機(jī)組高負(fù)荷時(shí)振動(dòng)大，低負(fù)荷時(shí)振動(dòng)小。3 月21 日凌晨，2號(hào)機(jī)組降負(fù)荷至330 MW 左右運(yùn)行時(shí)，1 號(hào)軸承下瓦金屬溫度產(chǎn)生突變，飆升至107℃，之后又出現(xiàn)溫度回落現(xiàn)象，同時(shí)出現(xiàn)振幅波動(dòng)。按設(shè)計(jì)文件要求，該機(jī)組軸承金屬溫度高報(bào)警值整定在107℃，保護(hù)動(dòng)作跳閘值設(shè)定在113℃。下瓦金屬溫度過高已嚴(yán)重危及到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 1 號(hào)軸承下瓦溫度與負(fù)荷趨勢(shì)

圖3 1 號(hào)下瓦溫度與機(jī)組負(fù)荷趨勢(shì)（24 h）

2 初步分析

機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)軸瓦金屬溫度異常，首先應(yīng)檢查測(cè)溫元件是否損壞、溫度測(cè)量極性是否裝反、溫度測(cè)量補(bǔ)償方法或標(biāo)準(zhǔn)是否正確、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)是否受到外界嚴(yán)重干擾等，確認(rèn)軸承溫度異常的真實(shí)性。經(jīng)過檢查核實(shí)，溫度測(cè)量系統(tǒng)正常，軸瓦金屬溫度測(cè)量值反映軸瓦的實(shí)際狀況。排除了因熱工測(cè)量系統(tǒng)異常而引起的軸瓦金屬溫度虛假升高和波動(dòng)。根據(jù)軸承理論，引起橢圓瓦金屬溫度高的原因可能有軸瓦質(zhì)量不良、潤(rùn)滑油影響、軸承載荷過大、軸瓦球面自動(dòng)調(diào)整能力差等[2]，下面逐一加以分析。

（1）軸承鎢金澆鑄質(zhì)量不良。若軸承烏金澆鑄質(zhì)量不良，結(jié)合不佳，存在脫胎現(xiàn)象。當(dāng)承受動(dòng)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。僅由軸瓦質(zhì)量不良所引起的軸承金屬溫度高，其軸瓦溫度趨勢(shì)通常是逐漸上升，而不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。據(jù)此推斷軸承烏金澆注質(zhì)量不良不是造成2 號(hào)機(jī)組1 號(hào)軸承下瓦金屬溫度異常的主要原因。

（2）潤(rùn)滑油的影響。潤(rùn)滑油溫度過高或過低、潤(rùn)滑油黏度不合格、油流量過大或過小、回油不暢、潤(rùn)滑油斷油、油質(zhì)不良或油質(zhì)惡化、潤(rùn)滑油壓力過低或過高、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。軸瓦進(jìn)油溫度高使得高溫的潤(rùn)滑油不能將軸承運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，引起軸瓦溫度升高。但該機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)供油溫度基本穩(wěn)定在42～46℃，可以排除潤(rùn)滑油溫的影響。若潤(rùn)滑油中含有雜質(zhì)，瓦塊易被刮傷，尤其是大容量機(jī)組，其軸頸尺寸加粗，軸頸表面線速度增大，同時(shí)轉(zhuǎn)子重量大、油膜薄，不僅在潤(rùn)滑油壓力偏低時(shí)軸頸易與軸瓦間發(fā)生摩擦，而且軸頸更易受油中微小顆粒的損傷[3]。瓦塊刮傷會(huì)造成軸瓦金屬溫度高，這在新建成投產(chǎn)的機(jī)組中較為常見，但2 號(hào)機(jī)組1 號(hào)軸承瓦溫頻繁出現(xiàn)飆升，這種不斷出現(xiàn)雜質(zhì)的可能性不大。潤(rùn)滑油流量的影響，主要是機(jī)組運(yùn)行過程中，由于潤(rùn)滑油供油系統(tǒng)故障，如主油泵故障、油系統(tǒng)泄漏、逆止閥不嚴(yán)密，引起潤(rùn)滑油供油壓力降低，各軸承進(jìn)油流量大幅減少。出現(xiàn)這一情況往往是機(jī)組所有軸瓦溫度均會(huì)有一定幅度升高。而不僅僅是某一軸瓦溫度升高。因潤(rùn)滑油異常引起的軸承溫度高也可以排除。

（3）軸承載荷的影響。轉(zhuǎn)子中心偏差、軸承座溫度和揚(yáng)度變化、軸振動(dòng)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，引起軸承載荷過大[4]，軸瓦溫度升高。尤其是受汽輪機(jī)進(jìn)汽蒸汽附加力的影響，在機(jī)組負(fù)荷頻繁變動(dòng)時(shí)，這一溫度變化往往呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。2 號(hào)機(jī)組1 號(hào)軸承下瓦溫度與負(fù)荷負(fù)相關(guān)、上瓦溫度與負(fù)荷正相關(guān)，與該廠同型號(hào)的1 號(hào)機(jī)組1 號(hào)軸瓦溫度變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律性，盡管該型號(hào)汽輪機(jī)是兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)汽，但在實(shí)際運(yùn)行中，汽流對(duì)轉(zhuǎn)子的附加作用力是隨負(fù)荷變化的，高負(fù)荷時(shí)汽流對(duì)轉(zhuǎn)子向下附加作用力減小、低負(fù)荷時(shí)向下附加作用力增大。高負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)軸中心上浮，軸承負(fù)載減輕，下瓦溫度降低、上瓦溫度升高、工頻振幅變大；低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)軸中心下移，軸承負(fù)載變重，下瓦溫度升高、上瓦溫度降低、工頻振幅變小。但同型號(hào)的1 號(hào)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，1 號(hào)瓦溫變化約有5℃。據(jù)此判斷軸承載荷變化不是造成2 號(hào)機(jī)組1 號(hào)軸承下瓦金屬溫度異常的主要原因。

（4）軸承球面自動(dòng)調(diào)整能力。軸承間隙過小或過大、軸承緊力過大、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，軸承瓦塊與軸承座球面之間有雜質(zhì)等，都可能使軸承球面自動(dòng)調(diào)整定位能力變差。軸承載荷不能均布在整個(gè)瓦面，造成局部載荷過高，油膜過薄，從而引起軸瓦金屬溫度高，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)瓦塊局部磨損。瓦塊自位能力變差后，需要更大的作用力瓦塊才能自位。瓦溫飆升，表明該過程油膜急劇變薄，同時(shí)油膜內(nèi)壓力也在急劇升高。情況嚴(yán)重時(shí)瓦塊和軸頸甚至需要碰摩接觸后才能自動(dòng)調(diào)整定位，位置調(diào)整后瓦塊便工作正常，瓦溫下降。每次接觸都會(huì)有輕微磨損，最早開始磨損的部位在外端，逐步向瓦內(nèi)磨損。這一過程中，瓦溫測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的油膜厚度越來越薄，瓦溫監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)值越來越高。隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，軸瓦在相同的負(fù)荷變化條件下對(duì)應(yīng)的溫度變化也隨之變大。這與2 號(hào)機(jī)組1 號(hào)軸承表現(xiàn)出的異常狀況基本一致，由此推斷軸承球面自動(dòng)調(diào)整能力差是引發(fā)1 號(hào)軸承金屬溫度異常的主要因素。

（5）軸心位置的變化。2 號(hào)機(jī)組運(yùn)行一個(gè)多月以來，2 號(hào)軸瓦間隙電壓基本無變化。1 號(hào)和2 號(hào)軸瓦間隙電壓具體變化數(shù)值如表1 所示。

表1 1 號(hào)和2 號(hào)軸瓦間隙電壓值對(duì)比 V

對(duì)比1 號(hào)軸承1X 及1Y的間隙電壓發(fā)現(xiàn)，自2012年2 月10 日以來，1 號(hào)軸承轉(zhuǎn)軸中心位置累計(jì)向下移動(dòng)130 μm，向左移動(dòng)160 μm，從調(diào)速器端向發(fā)電機(jī)端看，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸中心正常工作位置在軸瓦中心的左下方[2]，忽略油膜厚度的變化，軸心是不可能再向左下移動(dòng)，但實(shí)際軸心軌跡表明，2 號(hào)機(jī)組從2月9 日并網(wǎng)發(fā)電以來，轉(zhuǎn)軸中心逐步在向左下方移動(dòng)，亦即下瓦塊在逐步退讓，據(jù)此推斷，1 瓦很可能因瓦塊自位能力不足而逐步磨損。

3 停運(yùn)檢查分析

3.1 停運(yùn)檢查

2012年4 月7 日，2 號(hào)機(jī)組停運(yùn)后，對(duì)1 號(hào)軸承進(jìn)行揭瓦檢查，1 號(hào)軸承下瓦烏金磨損情況如圖4 所示。

圖4 1 號(hào)軸承下瓦

從瓦胎看內(nèi)側(cè)1/4 胎面有汽蝕點(diǎn)，說明這部分胎面承載過輕，沒正常參與工作；另3/4 胎面有磨痕，說明這部份承載過重。1 號(hào)軸瓦下瓦磨損狀態(tài)與停機(jī)前的分析推測(cè)相吻合。從外觀看瓦塊屬于輕微受損，不存在脫胎現(xiàn)象。擦洗后的1 號(hào)軸承瓦枕情況如圖5 所示。

圖5 1 號(hào)軸承瓦枕

軸承座內(nèi)存在大量鐵銹，瓦枕上除鐵銹外，還有很多黑色異物，瓦塊與瓦枕之間運(yùn)動(dòng)阻力增加而卡澀，瓦塊自位能力的喪失后瓦塊表面無法保持與軸頸表面平行，出現(xiàn)瓦塊外側(cè)與軸頸表面間隙小、內(nèi)側(cè)與軸頸表面間隙大，導(dǎo)致油膜厚度軸向分布不均勻，瓦塊有效的承載面積下降，瓦塊外側(cè)承載過重、油膜過薄，發(fā)生軸頸與瓦塊單側(cè)碰摩，瓦溫飆升，軸頸推動(dòng)瓦塊重新自動(dòng)調(diào)整定位后瓦溫又有所下降；并且單側(cè)磨損由外向內(nèi)發(fā)展，逐步接近測(cè)溫點(diǎn)，瓦溫高點(diǎn)逐步升高、且瓦溫波動(dòng)大；隨著磨損的加重，軸心逐步在向左下方移動(dòng)。因此，瓦塊與瓦枕之間的鐵銹、黑色異物是導(dǎo)致1 號(hào)軸瓦溫度異常的主要原因。

經(jīng)取樣分析黑色異物的主要成份是碳，確認(rèn)為高溫狀態(tài)下潤(rùn)滑油的碳化物，而大量鐵銹表明機(jī)組運(yùn)行時(shí)軸承座內(nèi)充滿了水汽。軸承座內(nèi)造成異物的高溫、鐵銹的水汽因素共同指向軸封漏汽。實(shí)際運(yùn)行中，2 號(hào)機(jī)組軸封壓力明顯偏大，高壓缸前軸封存在大量蒸汽外漏（同型號(hào)的1 號(hào)機(jī)組正常），為了防止軸封蒸汽進(jìn)入軸承座，還在軸封與軸承座之間加裝了臨時(shí)擋汽板。

3.2 門桿漏汽接入點(diǎn)

由于新裝機(jī)組的軸封安裝間隙是嚴(yán)格控制的，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行過程中2 號(hào)機(jī)組1 號(hào)瓦未出現(xiàn)過機(jī)械碰摩現(xiàn)象，因此軸封漏汽排除了軸封間隙過大的因素。實(shí)地勘察軸封系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組門桿漏汽接入軸封母管的位置有所不同。如圖6 所示，1 號(hào)機(jī)組門桿漏汽接在軸封供汽母管末端的軸封溢流閥前，即圖中A 點(diǎn)位置。而2 號(hào)機(jī)組門桿漏汽接在中低壓缸軸封母管的噴水減溫器前，即圖中B 點(diǎn)位置。

圖6 門桿漏汽接入點(diǎn)示意圖

正常運(yùn)行中，機(jī)組的門桿漏汽源于主蒸汽和再熱蒸汽，高中壓軸封汽的主要來源是主蒸汽和再熱蒸汽作功后的乏汽。因此門桿漏汽的焓明顯高于高中壓軸封汽，這就造成了門桿漏汽接入軸封系統(tǒng)A，B 點(diǎn)的差異。門桿漏汽接入A 點(diǎn)時(shí)流向凝汽器，基本沒有影響原軸封系統(tǒng)的運(yùn)行；而接入B 點(diǎn)時(shí)流向低壓軸封，由于門桿漏汽溫度很高，為了滿足低壓軸封溫度需求，必須增加大量軸封減溫水，而這些噴水汽化后導(dǎo)致軸封系統(tǒng)內(nèi)蒸汽質(zhì)量明顯增加，即便是在軸封溢流調(diào)節(jié)閥開度很大時(shí)，軸封壓力仍然很高，門桿漏汽接入點(diǎn)不同對(duì)軸封運(yùn)行參數(shù)的影響如表2 所示。

表2 550 MW時(shí)1 號(hào)和2 號(hào)機(jī)組軸封運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

過高的軸封壓力引起高壓缸前軸封蒸汽大量外漏，高溫蒸汽進(jìn)入1 號(hào)軸承座后，造成鋼鐵銹蝕、潤(rùn)滑油碳化，在瓦枕上產(chǎn)生大量異物。因此2 號(hào)機(jī)組門桿漏汽接入點(diǎn)有必要參照1 號(hào)機(jī)組的位置改接以降低軸封母管壓力，保證高壓缸前軸封蒸汽不外漏，為1 號(hào)軸承提供良好的運(yùn)行環(huán)境。

4 處理及效果

結(jié)合前面的分析和揭瓦檢查情況，采取如下措施：1 號(hào)軸承下軸瓦屬于輕微受損，修刮后應(yīng)該可用，但要保持在軸承設(shè)計(jì)間隙要求之內(nèi)；若修刮后不能保持在設(shè)計(jì)間隙要求之內(nèi)，則需更換新瓦[5]。同時(shí)對(duì)軸頸采用油石、金相砂紙表面打磨，提高軸頸表面光潔度。徹底清理瓦枕、瓦塊球面上的異物。安裝時(shí)軸瓦緊力按下限調(diào)整，保證瓦枕、瓦塊球面結(jié)合后能活動(dòng)自如[6]。參照1 號(hào)機(jī)組門桿漏汽接入位置對(duì)2 號(hào)機(jī)組進(jìn)行改接，消除高壓缸軸封蒸汽外漏。在瓦面修刮、清理異物、門桿漏汽改接后，機(jī)組重新起動(dòng)。起動(dòng)后的各階段，軸瓦金屬溫度均在正常范圍內(nèi)。機(jī)組滿負(fù)荷660 MW 運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組軸封系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值與1 號(hào)機(jī)組接近，高壓缸前軸封已無外漏現(xiàn)象，1 號(hào)軸瓦的溫度穩(wěn)定。機(jī)組負(fù)荷在300～660 MW 調(diào)整時(shí)潤(rùn)滑油供油溫度自動(dòng)控制在45℃，1 號(hào)軸承下軸瓦金屬溫度在78～83℃波動(dòng)，2 號(hào)機(jī)組運(yùn)行一年來，未再出現(xiàn)軸瓦溫度偏高或溫度波動(dòng)幅度過大的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

汽輪機(jī)軸承金屬溫度異常升高，往往是烏金磨損、碾壓的前兆，在發(fā)現(xiàn)軸瓦溫度異?，F(xiàn)象后，應(yīng)在加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視，盡快尋找機(jī)會(huì)停機(jī)檢查處理，避免發(fā)生汽輪機(jī)燒瓦彎軸的惡性事件。引起軸瓦金屬溫度高的原因很多，實(shí)踐中需依據(jù)軸承原理并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況具體分析后確認(rèn)原因，采取相應(yīng)對(duì)策，降低軸承金屬溫度，確保汽輪機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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