一拖二機(jī)組增壓機(jī)軸瓦電腐蝕的原因分析

楊本武

摘?要：針對(duì)一拖二機(jī)組的軸位移發(fā)生改變的故障，分析故障的原因，同時(shí)提出了通過(guò)回顧檢修，從檢修改變查找故障發(fā)生的原因，提出解決措施。

關(guān)鍵詞：一拖二機(jī)組;軸位移;電腐蝕;碳環(huán)密封

1?機(jī)組發(fā)生的幾次軸位移改變

一拖二機(jī)組是空分裝置核心機(jī)組，由沈鼓設(shè)計(jì)制造。一拖二機(jī)組透平NKS63/90為凝氣式中壓透平，氮?dú)庠鰤簷C(jī)3BCL608為垂直剖分離心式壓縮機(jī)?？諌簷C(jī)DMCL1204+2MCL1203為兩缸水平剖分式離心壓縮機(jī)?？諌簷C(jī)輸送介質(zhì)為濕空氣，正常工況轉(zhuǎn)速4405rpm，流量246700Nm?/h;增壓壓縮機(jī)為三段八級(jí)，輸送介質(zhì)為純凈氮?dú)?，正常工況轉(zhuǎn)速9168rpm，一段入口流量164407Nm?/h。

1.1?機(jī)組發(fā)生不明原因軸位移

在正常運(yùn)行中，一拖二機(jī)組增壓機(jī)兩次發(fā)生軸位移上漲達(dá)到聯(lián)鎖值而停車(chē)的故障。通過(guò)對(duì)發(fā)生軸位移上漲原因進(jìn)行分析，理清其發(fā)生的機(jī)理，有利于采取有效措施加以解決。

2017年7月，一拖二增壓機(jī)大修。此次大修是因?yàn)闄C(jī)組開(kāi)車(chē)初期發(fā)生了喘振，損壞全部氣封，檢修更換了全套氣封，軸端密封，碳環(huán)密封中間部件碳環(huán)。機(jī)組檢修后開(kāi)車(chē)，7～9月間，通過(guò)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，觀察到一拖二機(jī)組增壓機(jī)軸位移發(fā)生了緩慢上升，39天內(nèi)由0.23mm上漲至0.70mm，同時(shí)主推瓦溫由63℃緩慢上漲至91℃，觀察其上升的斜率，在整個(gè)上升期間保持一致。

2018年1月20日，由于裝置發(fā)生波動(dòng)，一拖二機(jī)組增壓機(jī)三段流量上漲，出口壓力下降，1月21日，機(jī)組增壓機(jī)軸位移呈逐步波動(dòng)上升趨勢(shì)，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速，進(jìn)出口壓力，均不能減緩軸位移上漲趨勢(shì)，至1月28日軸位移達(dá)到0.71mm達(dá)到聯(lián)鎖值停車(chē)搶修。

1.2 檢修所見(jiàn)及故障原因分析

兩次因軸位移上漲造成停機(jī)搶修，給企業(yè)帶來(lái)了較大損失。檢修拆檢發(fā)現(xiàn)：徑向軸承、氣封等未出現(xiàn)異常磨損，增壓機(jī)主推力瓦瓦塊、止推盤(pán)有明顯磨損痕跡，推力瓦與推力盤(pán)磨損是軸位移上漲的直接原因。

為搞清楚推力瓦磨損的原因，技術(shù)人員對(duì)瓦塊的磨損情況作了仔細(xì)的檢查。通過(guò)檢查其特征，判定不是因?yàn)檩S向力增大造成瓦面超溫磨損。軸向力大造成超溫磨損表現(xiàn)特征一般是升溫后表面積碳發(fā)暗發(fā)黑，或者快速搟瓦后形成一個(gè)光滑的發(fā)亮表面，磨損發(fā)生在整個(gè)瓦面或瓦面中央的高點(diǎn)。而這兩次瓦塊的磨損都發(fā)生在推力瓦塊的出油側(cè)，磨損瓦塊進(jìn)油側(cè)基本完好，磨損部位銀白色、表面粗糙呈磨砂樣。通過(guò)用放大100倍照相觀察瓦面，表面存在密布的大小大致相同的坑洼，具有金屬放電產(chǎn)生燒蝕的明顯特征。對(duì)靜電導(dǎo)電電刷檢查，電刷的銅絲刷頭已經(jīng)磨損，剩余磨損部分在放大鏡下觀察，銅絲頭具備放電的特征，頭部較光滑部分呈球頭狀。通過(guò)查找資料推斷，推力瓦塊和推力盤(pán)之間發(fā)生了放電，燒蝕推力瓦和推力盤(pán)。

技術(shù)人員同時(shí)查找了其它原因，通過(guò)分析進(jìn)行了排除。

a）軸向力改變?cè)斐赏邏K磨損。7-9月間，工藝運(yùn)行各參數(shù)與之前并無(wú)明顯變化;且主推力瓦溫沒(méi)有超過(guò)105℃，反映軸向力并無(wú)明顯增大;2018年1月，發(fā)生軸位移后，在軸位移上升過(guò)程中，工藝和設(shè)備分別調(diào)整了壓縮機(jī)各段間壓力、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油壓力、潤(rùn)滑油溫度等運(yùn)行參數(shù)，均沒(méi)有效果，排除工藝運(yùn)行參數(shù)改變?cè)斐傻摹?/p>

b）儀表探頭松動(dòng)，或測(cè)量不準(zhǔn)。通過(guò)檢查校準(zhǔn)儀表探頭零位，無(wú)問(wèn)題，固定螺栓無(wú)松動(dòng)，排除儀表故障。

c）潤(rùn)滑油機(jī)械雜志超標(biāo)造成瓦塊磨損。如果因潤(rùn)滑油的影響，徑向瓦也會(huì)發(fā)現(xiàn)磨損的痕跡，檢查徑向瓦無(wú)磨損，潤(rùn)滑油機(jī)械雜質(zhì)分析正常，排除潤(rùn)滑油的影響。

2 發(fā)生靜電腐蝕原因

2.1可能產(chǎn)生靜電的幾種情況

發(fā)生靜電腐蝕發(fā)生在凝汽式機(jī)組較多，與凝汽式汽輪機(jī)組工作狀況有關(guān)。通過(guò)查找資料，可能產(chǎn)生靜電的還包括感應(yīng)生電，介質(zhì)輸送摩擦，潤(rùn)滑油等有幾種情況。

a）蒸汽原因產(chǎn)生靜電。對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)組，由于工況不佳，在最后幾級(jí)葉片做功時(shí)，有蒸汽凝結(jié)成小水珠，與高速旋轉(zhuǎn)的葉片摩擦生電。

b）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)自發(fā)電帶電。由于轉(zhuǎn)子制造或檢修后，會(huì)產(chǎn)生一定的剩磁，如果在轉(zhuǎn)子外圍有能形成類(lèi)似線圈繞組樣的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)在轉(zhuǎn)子兩端形成電位差，兩次檢查轉(zhuǎn)子有較大的剩磁。

c）潤(rùn)滑油流動(dòng)可能產(chǎn)生靜電。這種可能存在，但在流動(dòng)過(guò)程中與金屬管壁交換電荷而導(dǎo)入大地，所以不會(huì)造成電荷聚集。

d）增壓機(jī)PEEK材質(zhì)氣封與高壓氮?dú)饽Σ量赡墚a(chǎn)生靜電。但PEEK材質(zhì)在其它機(jī)組使用，產(chǎn)生靜電的情況并不明顯。

2.2靜電腐蝕如何發(fā)生

凝氣機(jī)組一般設(shè)置有導(dǎo)電電刷，通過(guò)設(shè)置導(dǎo)電電刷來(lái)釋放汽輪機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的電荷。除非有以下幾種情況造成導(dǎo)電失效，最終在轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生放電。

a）電荷過(guò)多，導(dǎo)出不徹底。在運(yùn)行過(guò)程中，我們對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電勢(shì)進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了運(yùn)轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子存在檢出電壓和電流。

b）電刷磨損后，不及時(shí)更換，導(dǎo)電效果差。兩次檢修時(shí)檢查靜電導(dǎo)電電刷，導(dǎo)電刷頭都磨損嚴(yán)重，在放大鏡下能明顯看到銅絲放電痕跡。

c）導(dǎo)出通路不暢，接地線路斷路，油膜阻隔。增壓機(jī)與導(dǎo)電電刷之間有增速箱，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)齒輪間的油膜阻隔了增壓機(jī)的電荷通過(guò)電刷釋放，如果增壓機(jī)轉(zhuǎn)子帶電，不能完全地通過(guò)增速箱通過(guò)電刷放電。

d）增壓機(jī)轉(zhuǎn)子的剩余軸向力在正常穩(wěn)定工況下僅600KG左右，轉(zhuǎn)子軸向穩(wěn)定性不足，止推瓦油膜不穩(wěn)定，是整個(gè)機(jī)組軸系中的薄弱點(diǎn)，剩余電荷可能通過(guò)推力盤(pán)與推力瓦之間放電。

2.3 采取初步措施消除靜電腐蝕

根據(jù)分析的結(jié)果，從兩方面來(lái)解決問(wèn)題。即減少靜電或感應(yīng)電的產(chǎn)生及采取有效措施導(dǎo)出電荷。

檢測(cè)轉(zhuǎn)子的剩磁并消磁。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有較大的不均勻剩磁，兩端徑向軸承位處磁通量超標(biāo)，最高達(dá)12Gs，高于機(jī)組轉(zhuǎn)子剩磁不超過(guò)5Gs標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)后進(jìn)行消磁。

加強(qiáng)電荷導(dǎo)出防止聚集。通過(guò)改造增加2個(gè)電刷，在透平處原有一個(gè)導(dǎo)電電刷部位對(duì)稱(chēng)增加一個(gè)導(dǎo)電電刷，在增壓機(jī)聯(lián)軸器部位增加一個(gè)電刷直接接地，消除增速箱油膜對(duì)電荷傳導(dǎo)的阻隔，確保增壓機(jī)電荷能通過(guò)增加的電刷直接接入大地;降低電刷的接地電阻，由4Ω，降低到0.5Ω。

2.4?回顧檢修查找最終原因

檢修后機(jī)組投運(yùn)，我們持續(xù)對(duì)軸位移、推力瓦溫監(jiān)控，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸位移變化和溫度變化，說(shuō)明以上措施能夠減緩或阻止靜電腐蝕的發(fā)生。但是每月檢查電刷，電刷接觸頭銅絲基本上磨平，電刷壽命只有一個(gè)月，而電刷正常壽命應(yīng)在3年左右，且電刷是進(jìn)口件，備件難以準(zhǔn)備且價(jià)格昂貴，需要進(jìn)一步查清原因并解決。

通過(guò)設(shè)置的檢測(cè)箱，對(duì)幾組電刷進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)新增的3#電刷檢測(cè)電壓比1#、2#高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于有增速箱的油膜阻隔，技術(shù)人員分析認(rèn)為增壓機(jī)發(fā)生電腐蝕的電荷來(lái)源主要應(yīng)該是增壓機(jī)本身產(chǎn)生的，而不是來(lái)源于汽輪機(jī)。選取三天電刷電壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如下：

機(jī)組投運(yùn)10年來(lái)一直正常，2017年7月檢修后第一次發(fā)生電腐蝕故障。查找原因需要對(duì)發(fā)生軸位移之前的檢修回顧，回顧得知：檢修更換了轉(zhuǎn)子氣封，執(zhí)行的是以往的間隙標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)沒(méi)有更換;檢修前、后使用的潤(rùn)滑油仍是同品牌同標(biāo)號(hào)的透平油;檢修前后機(jī)組管系進(jìn)出口設(shè)備沒(méi)有大的改變;有改變的地方在于增壓機(jī)碳環(huán)密封的更換，由于無(wú)成套進(jìn)口的碳環(huán)密封，用國(guó)內(nèi)某廠仿制的碳環(huán)裝在原密封架子內(nèi)組合成組件使用，具體材質(zhì)與原廠差別不明，結(jié)構(gòu)由兩瓣式改為三瓣。

2018年11月，將仿制的碳環(huán)取出，更換了整套碳環(huán)密封。檢修后機(jī)組開(kāi)車(chē)運(yùn)行，繼續(xù)對(duì)軸位移、推力瓦溫監(jiān)控。從2018年12月到2020年5月，電刷的磨損顯著變緩，電刷頭部銅絲未見(jiàn)放電痕跡，三只電刷測(cè)得電位與更換碳環(huán)密封之前相比，下降明顯，特別是3#電刷，下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，測(cè)得電壓平均在35mv左右。從這些數(shù)據(jù)來(lái)看，增壓機(jī)發(fā)生電腐蝕的主要原因與碳環(huán)密封密切相關(guān)。為分析碳環(huán)在增壓機(jī)發(fā)生電腐蝕中到底起了什么作用，技術(shù)人員對(duì)兩次更換下來(lái)的碳環(huán)做了外觀檢查，尺寸測(cè)量，導(dǎo)電性測(cè)試，主要有以下差別：

技術(shù)人員做出如下推斷：由于增壓機(jī)轉(zhuǎn)子存在剩磁，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)發(fā)電，在轉(zhuǎn)子兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，同時(shí)與機(jī)殼之間也產(chǎn)生電勢(shì)差。正常情況下，由于碳環(huán)密封采用自補(bǔ)償方式，氣膜厚度一般只有0.01mm且并不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子與碳環(huán)密封碳環(huán)處于一種半接觸狀態(tài)，由于碳環(huán)主要成分為石墨，具有良好的導(dǎo)電性，客觀上起到了對(duì)轉(zhuǎn)子接地的作用。而后來(lái)更換的不合格碳環(huán)，尺寸上存在超差，加上氣膜的厚度，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)與碳環(huán)沒(méi)有接觸處于完全隔離狀態(tài)，不能有效地將感應(yīng)電導(dǎo)出，所以自發(fā)電產(chǎn)生的電荷最終只有在最薄弱處發(fā)生放電。

3?治理和防范措施

3.1 從源頭防止電荷的產(chǎn)生

減少感應(yīng)生電。禁止檢修時(shí)用強(qiáng)磁體吸附轉(zhuǎn)子，避免轉(zhuǎn)子帶磁;每次檢修時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行剩磁檢查對(duì)超標(biāo)部位進(jìn)行消磁處理，及時(shí)消除轉(zhuǎn)子、軸承支架、聯(lián)軸器等剩磁。

減少摩擦生電。從工藝上提高蒸汽的品質(zhì)，降低蒸汽二氧化硅、電導(dǎo)率等，減少汽輪機(jī)葉片上結(jié)垢和表冷器的結(jié)垢，提高表冷器真空度，適當(dāng)提高中壓蒸汽溫度，減少在蒸汽冷凝水與葉片摩擦而產(chǎn)生靜電并形成聚集。

3.2 機(jī)組防靜電接地措施有效

弄清碳環(huán)密封在本機(jī)的作用和機(jī)理。在本機(jī)中，壓縮機(jī)介質(zhì)為氮?dú)猓鰤簷C(jī)兩端軸封壓力并不高，采用梳齒密封已足夠，而機(jī)組又增加碳環(huán)密封，顯然是考慮碳環(huán)的導(dǎo)電作用。所以碳環(huán)密封裝配時(shí)，應(yīng)保證其和軸的接觸狀態(tài)。

定期維護(hù)電刷，做好電刷磨損報(bào)警，檢查刷毛是否與旋轉(zhuǎn)方向相同，避免機(jī)械磨損或接觸不良造成導(dǎo)電不充分;做好電荷監(jiān)控，增加電荷快速檢測(cè)裝置，每日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電荷數(shù)據(jù)。

3.3?提高檢修質(zhì)量消除薄弱環(huán)節(jié)

進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)子消磁，減少感應(yīng)起電。從提高檢修質(zhì)量上下功夫，不讓推力瓦與推力盤(pán)之間成為一個(gè)容易放電的薄弱環(huán)節(jié)，磨光推力盤(pán)表面呈鏡面狀，每塊止推瓦進(jìn)油口刮油契等。

4?結(jié)論

蒸汽冷凝在末級(jí)葉輪摩擦產(chǎn)生靜電，通過(guò)做好電荷導(dǎo)出的防范措施即可。而對(duì)于機(jī)組的其它組件，應(yīng)分析其靜電釋放通路，本例中由于增速箱的油膜阻隔，增壓機(jī)是不能通過(guò)汽輪機(jī)設(shè)置的電刷來(lái)放電的，只有通過(guò)碳環(huán)或增加電刷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地，避免感應(yīng)電造成轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間放電。

在機(jī)組的管理上做到：優(yōu)化工藝操作，平穩(wěn)操作避免工藝波動(dòng)對(duì)機(jī)組造成損傷;改善潤(rùn)滑條件，提高檢修精度，嚴(yán)格控制止推瓦塊厚度差，避免形成易放電的薄弱環(huán)節(jié)。

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