1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)軸承溫度高故障分析及處理

馬 旭，白廣臣，邱 楊

(1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 珠海 519090；2.神華廣東國華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228)

1 發(fā)電機(jī)概述

某廠汽輪發(fā)電機(jī)是由上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司制造生產(chǎn)的THDF 125/67型百萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用兩個(gè)滑動(dòng)軸承支撐，兩個(gè)軸承分別坐落在兩側(cè)端蓋內(nèi)部，端蓋與發(fā)電機(jī)機(jī)殼采用螺栓連接，機(jī)殼與基礎(chǔ)框架通過地腳螺栓拉緊，基礎(chǔ)框架與基礎(chǔ)澆筑成為一體。

發(fā)電機(jī)兩端軸承均為橢圓軸承，軸承體下半設(shè)計(jì)有兩個(gè)頂軸油孔，軸承頂軸油通過高壓軟管與頂軸油調(diào)整模塊相連；軸承潤滑油經(jīng)過流量調(diào)整閥進(jìn)入軸承，采用46號(hào)潤滑油潤滑冷卻；發(fā)電機(jī)汽側(cè)支撐軸承(以下簡稱6號(hào)軸承)和發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)支撐軸承(以下簡稱7號(hào)軸承)結(jié)構(gòu)及尺寸相同，軸承體表面鍍有烏金，如圖1所示。

圖1 7號(hào)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)組投產(chǎn)以來，6號(hào)軸承和7號(hào)軸承溫度均比較穩(wěn)定。2014年12月10日以來，7號(hào)軸承溫度多次出現(xiàn)爬升，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了隱患。

2 7號(hào)軸承溫度異常情況

2014年12月10日，由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁失去機(jī)組跳閘，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至510 r/min時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)頂軸油泵，轉(zhuǎn)速降至120 r/min時(shí)開啟盤車進(jìn)油電磁閥，進(jìn)油電磁閥開啟后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速降至零。啟動(dòng)第三臺(tái)頂軸油泵，開大盤車進(jìn)油手動(dòng)門后，盤車投入正常。

2014年12月10日機(jī)組重新啟動(dòng)后，7號(hào)軸承溫度分別于12月11日、14日、18日、30日出現(xiàn)爬升，12月18日爬升幅度最大，達(dá)到9.8℃，導(dǎo)致機(jī)組再次跳閘。每次溫度爬升時(shí)間在30～40 s，與機(jī)組負(fù)荷無明顯關(guān)系，軸承溫度爬升到峰值后能逐步回落至正常值。

3 機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)軸承溫度異常升高的原因分析

機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)軸承溫度異常升高，應(yīng)先檢查測溫元件是否損壞、溫度測量極性是否裝反、溫度測量補(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[1]。

經(jīng)檢查，溫度測量裝置及系統(tǒng)能正確反映出軸承的實(shí)際溫度。由于7號(hào)軸承位于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁側(cè)和出線側(cè)，分析7號(hào)軸承溫度爬升的原因應(yīng)從機(jī)械和電氣兩方面進(jìn)行。

3.1 機(jī)械方面

機(jī)械方面引起橢圓形軸承溫度升高的原因有：滑動(dòng)軸承質(zhì)量不良、潤滑油影響、軸承負(fù)載過大、軸承球面自位調(diào)整能力差等[2]。

(1)軸承質(zhì)量不良。軸承質(zhì)量不良的原因有烏金澆鑄質(zhì)量差，加工尺寸偏差大，烏金與轉(zhuǎn)子接觸不良等。軸承烏金澆鑄質(zhì)量差可能造成軸承烏金局部脫胎，當(dāng)軸承承受動(dòng)載荷或軸承溫度變化較大時(shí)可能進(jìn)一步加劇烏金脫胎。當(dāng)烏金局部脫落后，脫落的烏金碎屑可能隨轉(zhuǎn)子進(jìn)入轉(zhuǎn)子與軸承的油間隙中破壞油膜造成軸承溫度升高。軸承烏金加工尺寸偏差大可能造成軸承油間隙偏小，使進(jìn)入軸承冷卻潤滑油流量偏小，導(dǎo)致軸承溫度升高。另外，烏金與轉(zhuǎn)子接觸不良，如烏金與轉(zhuǎn)子局部接觸，造成軸承局部負(fù)載過大，導(dǎo)致軸承溫度升高。

(2)潤滑油的影響。潤滑油油溫過高、供油量不足、回油不暢、油中含雜質(zhì)、油質(zhì)裂化、頂軸油模塊逆止門內(nèi)漏造成油膜壓力不足等都可能使軸承溫度升高。

(3)軸承負(fù)載過大。轉(zhuǎn)子中心偏差、軸承受熱后揚(yáng)度的變化、軸振過大、轉(zhuǎn)子承受向下的作用力等原因都會(huì)增大軸承的負(fù)載，導(dǎo)致軸承溫度升高。另外，上汽產(chǎn)1 000 MW機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)軸系的零點(diǎn)位于汽輪機(jī)低壓II缸支撐軸承和6號(hào)軸承之間，7號(hào)軸承安裝揚(yáng)度大于6號(hào)軸承即7號(hào)軸承負(fù)載高于6號(hào)軸承，也會(huì)使7號(hào)軸承運(yùn)行溫度偏高。

(4)軸承球面自位能力。軸承間隙過大或過小、軸承緊力過大、軸承安裝偏斜、軸承與軸頸揚(yáng)度不一致、軸承下部凹凸球面接觸不良或球面中有雜質(zhì)等原因都將使軸承的自位能力變差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與軸承局部接觸，使軸承局部載荷過大油膜變薄，軸承局部溫度升高，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致軸承烏金被捻起。

3.2 電氣方面

電氣方面引起橢圓形軸承溫度升高的原因主要考慮為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸電壓過大擊穿軸承油膜或油膜形成不良、軸承絕緣低等原因產(chǎn)生軸電流，由于發(fā)熱量與電流的平方成正比，產(chǎn)生的熱量將使軸承溫度出現(xiàn)明顯爬升。

發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因有磁不對(duì)稱引起的軸電壓、靜電電荷引起的軸電壓、靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)引起的軸電壓、轉(zhuǎn)子線圈匝間短路引起的軸電壓等[3-4]。

4 檢查情況

4.1 運(yùn)行中檢查

現(xiàn)場檢查潤滑油系統(tǒng)運(yùn)行狀況正常，檢查油泵出口壓力，潤滑油溫，7號(hào)軸承潤滑油進(jìn)油壓力，潤滑油黏度、顆粒度、水分，管道回油情況以及頂軸油逆止門內(nèi)漏等情況，與軸承溫度升高前比較均未發(fā)生明顯變化，可以排除潤滑油導(dǎo)致軸承溫度升高的因素。

檢查7號(hào)軸承振動(dòng)情況，對(duì)比溫度變化過程中7號(hào)軸承的相對(duì)振動(dòng)、間隙電壓、軸心軌跡等參數(shù)均未發(fā)生明顯變化，可以排除軸承載荷變化引起的軸承溫度升高因素。

檢查發(fā)現(xiàn)7號(hào)軸承對(duì)地絕緣為零，可能存在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)7號(hào)軸承放電使7號(hào)軸承溫度升高。

4.2 停機(jī)檢查

2014年12月18日，汽輪發(fā)電機(jī)7號(hào)軸承溫度達(dá)到107.5℃，超過跳閘值107℃，機(jī)組跳閘。經(jīng)初步分析判斷，7號(hào)軸承烏金可能存在一定程度的損傷，需要將7號(hào)軸承翻出檢修或更換。機(jī)組跳閘后高壓內(nèi)缸缸溫仍有588℃，不具備停運(yùn)連續(xù)盤車翻出7號(hào)軸承的條件，由于正值年末面臨著嚴(yán)峻的發(fā)電生產(chǎn)任務(wù)，采取了如下措施。

(1)汽輪機(jī)組投連續(xù)盤車，當(dāng)高壓內(nèi)缸缸溫降至350℃以下時(shí)，采取干抽真空的方式進(jìn)行降溫。

(2)當(dāng)汽輪機(jī)組高壓內(nèi)缸缸溫降至300℃及以下時(shí)，執(zhí)行1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)投快冷方案對(duì)機(jī)組進(jìn)行快冷，降溫速度控制在3～4℃/h。

(3)當(dāng)汽輪機(jī)組高壓內(nèi)缸的缸溫降到230℃，停止快冷，汽輪機(jī)本體疏水閥保持關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)行悶缸。停運(yùn)連續(xù)盤車，采取間斷盤車的方式進(jìn)行現(xiàn)場檢修工作。檢修方式為:在高壓轉(zhuǎn)子兩端安裝百分表監(jiān)視轉(zhuǎn)子偏心及彎曲情況，在手動(dòng)盤車處轉(zhuǎn)子上做好標(biāo)記，開始手動(dòng)間斷盤車，每30 min盤動(dòng)轉(zhuǎn)子180°；在7號(hào)軸承潤滑油進(jìn)油法蘭處加裝堵板，停運(yùn)潤滑油后每10 min記錄一次各軸承溫度，做好各軸承溫度監(jiān)視工作。采取這些措施后，從機(jī)組跳閘到開展搶修比原計(jì)劃提前了2天。

7號(hào)軸承翻出后發(fā)現(xiàn)了兩方面問題：一方面7號(hào)軸承兩根頂軸油管多處破裂，見圖2；另一方面，7號(hào)軸承底部烏金被捻起，見圖3。

圖2 7號(hào)軸承頂軸油高軟管破裂

圖3 7號(hào)軸承烏金捻壓凸起

頂軸油管損壞的原因?yàn)轫斴S油管設(shè)計(jì)壽命不足，按廠家設(shè)計(jì)應(yīng)有5年以上的壽命，但汽輪機(jī)組投產(chǎn)3年多便出現(xiàn)7號(hào)軸承頂軸油管損壞破裂的情況。在2014年12月10日機(jī)組跳閘汽輪機(jī)墮走開啟盤車進(jìn)油電磁閥后系統(tǒng)用油量增加，頂軸油母管壓力由16 MPa降至11.5 MPa，汽輪發(fā)電機(jī)各軸承轉(zhuǎn)子頂起高度出現(xiàn)不同程度下降，同時(shí)7號(hào)軸承頂軸油管破裂泄壓，7號(hào)軸承處轉(zhuǎn)子頂起高度不足，轉(zhuǎn)子與軸承下半烏金局部接觸，烏金被捻壓損傷。烏金被捻起后位于軸承與轉(zhuǎn)子的進(jìn)油、出油間隙處，軸承進(jìn)油、出油間隙變小，軸承潤滑油流量變小，導(dǎo)致軸承溫度升高。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，被捻起的烏金部分脫落，烏金碎屑進(jìn)入軸承與轉(zhuǎn)子之間的油間隙，油膜被破壞，高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)子與軸承烏金局部接觸，軸承溫度短時(shí)快速升高。

5 處理措施

經(jīng)檢查可以確定，7號(hào)軸承頂軸油管破裂，烏金被捻起使油間隙變小和烏金碎屑進(jìn)入軸承油間隙是導(dǎo)致7號(hào)軸承溫度升高的原因之一。另外，18日停機(jī)后對(duì)7號(hào)軸承進(jìn)行了更換，30日7號(hào)軸承溫度再次出現(xiàn)了4.7℃的爬升，分析發(fā)現(xiàn)7號(hào)軸承對(duì)地絕緣為零，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)軸承放電可能是引起軸承溫度升高的另一原因。

針對(duì)這種情況，除了更換7號(hào)軸承外，又采取了在發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)轉(zhuǎn)子上加裝軸接地測量裝置的方法進(jìn)行處理。

5.1 7號(hào)軸承的更換處理過程

由于7號(hào)軸承烏金被捻起較多，軸承烏金修刮后軸承與轉(zhuǎn)子的頂部間隙必定超過標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)可能出現(xiàn)軸承前后兩側(cè)頂部間隙相差較大的情況，影響軸承油膜的形成，從而可能再次導(dǎo)致軸承溫度的升高，因此采取了更換7號(hào)軸承的措施，具體如下。

(1)測量檢查新軸承橢圓度及各部件尺寸應(yīng)符合制作廠提供圖紙標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)新軸承烏金進(jìn)行著色、超聲波檢驗(yàn)，無脫胎現(xiàn)象。

(2)測量7號(hào)軸承更換前后油檔洼窩，偏差應(yīng)盡量小；測量更換前后7號(hào)軸頸揚(yáng)度作為參考。

(3)檢查新軸承凹凸球面接觸情況，接觸點(diǎn)分布均勻，接觸面占總面積的比例達(dá)到75%以上；用塞尺測量新軸承凹凸球面間隙，0.03 mm不入。

(4)檢查軸承烏金與轉(zhuǎn)子接觸情況，在軸承底部與轉(zhuǎn)子接觸的262 mm±10 mm弧長范圍內(nèi)對(duì)軸承烏金進(jìn)行修刮，要求接觸點(diǎn)分布均勻，接觸面占總面積的比例達(dá)到75%以上。

(5)軸承進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)修刮出合適的油囊[4]，修刮過渡表面應(yīng)平整光滑，不許有明顯的溝痕，以降低運(yùn)行中軸承溫度。

(6)更換軸承后測量新軸承與轉(zhuǎn)子的頂部間隙、兩側(cè)間隙等尺寸應(yīng)符合制造廠標(biāo)準(zhǔn)。

(7)更換發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸承的頂軸油高壓軟管，啟動(dòng)兩臺(tái)頂軸油泵檢查接頭及高壓軟管應(yīng)無泄漏。

5.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)轉(zhuǎn)子上加裝軸接地測量裝置

為防止7號(hào)軸承絕緣低產(chǎn)生軸電流引起軸承溫度升高,在勵(lì)側(cè)安裝測量電刷,測量電刷通過一條輔助電纜與勵(lì)側(cè)絕緣軸承座上的電位測量端子連接,端子引出線與濾波器連接,濾波器通過地線接地。

這種連接方式使得油膜被橋接，部件承受了軸電壓，油膜橋接將使原來的軸電壓減小或完全消失，并且能實(shí)現(xiàn)在線測量發(fā)電機(jī)的軸電壓，與勵(lì)側(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝RC軸接地模件類似[5]，起到了限制軸電流保護(hù)軸承的作用。

5.3 檢修后啟動(dòng)

2015年3月9日，汽輪發(fā)電機(jī)組7號(hào)軸承檢修后再次啟動(dòng)軸承溫度曲線如圖4所示。經(jīng)過一個(gè)月的運(yùn)行，7號(hào)軸承溫度比較穩(wěn)定未出現(xiàn)明顯爬升現(xiàn)象，軸承溫度最高點(diǎn)位于測點(diǎn)1處不超過87.3℃，與修前相比有大幅度下降，取得了較好的效果，7號(hào)軸承溫度高問題得到了徹底治理。

圖4 7號(hào)軸承修后軸承溫度曲線

6 結(jié)語

本次發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)軸承溫度異常升高的的分析和處理情況，暴露出設(shè)備制造廠家的軸承頂軸油高壓軟管設(shè)計(jì)壽命不足、容易出現(xiàn)老化破裂等情況。針對(duì)此情況，專業(yè)人員應(yīng)合理安排軸承頂軸油高壓軟管的更換周期，并積極與制造廠溝通討論高壓軟管的替代方案。

發(fā)電機(jī)軸承溫度的異常升高原因復(fù)雜多樣，應(yīng)從機(jī)械方面和電氣方面進(jìn)行分析，機(jī)械方面引起軸承溫度異常升高原因往往是由于烏金磨損、捻壓引起，電氣方面應(yīng)主要考慮軸電壓過高擊穿油膜或油膜形成不良、軸承絕緣低等產(chǎn)生軸電流引起軸承過熱的情況，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合檢修及運(yùn)行情況進(jìn)行綜合分析判斷，盡快查明原因采取對(duì)策降低軸承金屬溫度，保證汽輪發(fā)電機(jī)組的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。