壓縮機(jī)組軸承靜電腐蝕及應(yīng)對(duì)策略

陳忠偉

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

海洋石油富島股份有限公司52×104t/a尿素裝置二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組由意大利新比隆公司制造，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)為蒸汽輪機(jī)，型號(hào)ENK40/45，屬凝汽式蒸汽輪機(jī)，壓縮機(jī)高、低壓缸型號(hào)分別為2BCL306A、2MCL527，增速箱型號(hào)為TRL25。蒸汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為5 MPa，進(jìn)汽溫度為380℃，排汽壓力為0.012 MPa,排汽溫度約為50℃,排汽量為37 900 kg/h。低壓缸正常轉(zhuǎn)速為8 402 r/min，高壓缸正常轉(zhuǎn)速為12 165 r/min，正常軸功率為7 460 kW。蒸汽輪機(jī)及壓縮機(jī)的徑向軸承均為可傾瓦軸承，增速箱徑向軸承均為四油楔圓瓦軸承。

1 壓縮機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)異常

自2019-07-29起，壓縮機(jī)高壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)和非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承振幅從開始約12μm和17 μm分別上升至25 μm和 24μm，驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度從77℃緩慢下降至68℃，而非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度基本保持穩(wěn)定，見圖1。在此期間，增速箱高速軸非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度上漲了大約3℃，2019-08-16開始快速上漲11℃，對(duì)應(yīng)的軸承振幅則從19 μm下降至17 μm，而驅(qū)幅側(cè)軸承溫度基本保持在97℃，振幅基本保持在6 μm，見圖2。2019-08-19更換蒸汽輪機(jī)側(cè)電刷后，高壓缸和增速箱高速軸各軸承的溫度、振幅趨于穩(wěn)定。期間機(jī)組其它軸承溫度、振幅基本保持穩(wěn)定。

圖1 壓縮機(jī)高壓缸軸承振幅和溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)記錄

圖2 增速箱高速軸軸承振幅和溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)記錄

2 壓縮機(jī)拆機(jī)檢查及分析

2.1 故障現(xiàn)象

根據(jù)監(jiān)測(cè)到的壓縮機(jī)組溫度和振動(dòng)變化異常情況，拆機(jī)查看相應(yīng)軸承和增速箱，發(fā)現(xiàn)不同程度的磨損，見圖3～圖6。

圖3 增速箱軸承磨損情況

圖4 增速箱軸頸磨損情況

圖5 壓縮機(jī)軸承磨損情況

圖6 壓縮機(jī)軸頸磨損情況

2.2 現(xiàn)象分析

根據(jù)磨損特征和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷，這種磨損本質(zhì)上屬于靜電腐蝕。壓縮機(jī)組靜電的來源有2個(gè)途徑，①摩擦和碰撞。凝汽式蒸汽輪機(jī)排汽溫度一般在50～70℃，蒸汽冷凝會(huì)在汽缸低壓段產(chǎn)生大量小液滴，高速旋轉(zhuǎn)的葉片與小液滴摩擦和碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜電效應(yīng)而帶電［1］。這種方式產(chǎn)生的靜電為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子靜電的主要來源。②退磁不達(dá)標(biāo)。在蒸汽輪機(jī)生產(chǎn)、加工、制造、運(yùn)行及維護(hù)過程中，定子、轉(zhuǎn)子及其部件會(huì)帶磁［2］。一般汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在加工過程中或出廠前會(huì)進(jìn)行退磁處理。退磁處理達(dá)標(biāo)的轉(zhuǎn)子，其任何部位的磁通量密度不會(huì)超過3×10-4T［3］。退磁不徹底情況下，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中會(huì)因磁力線旋轉(zhuǎn)切割導(dǎo)體而產(chǎn)生感應(yīng)電位。退磁不徹底是非正常狀態(tài)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子因此而產(chǎn)生靜電的可能性較小。

靜電荷不及時(shí)消除就會(huì)越積越多。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子靜電荷的消除是依靠電刷完成的。壓縮機(jī)常用電刷有2種類型。①石墨型電刷。石墨具有良好導(dǎo)電性能和自潤(rùn)滑性能，用石墨制成的電刷俗稱碳刷，安裝于汽輪殼體外干燥和無油的部位。碳刷接線端有預(yù)壓縮的彈簧，其彈簧力作用可使碳刷保持與軸的接觸狀態(tài)。日本三菱公司、日本日立公司及德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)常用這種電刷，電刷的磨損量一般沒有標(biāo)示，無法在線確認(rèn)電刷的磨損量，在線更換也比較困難。為了保證軸電流釋放的可靠性，一般會(huì)成對(duì)使用該類電刷。②金屬型電刷。金屬型電刷一般用具有良好導(dǎo)電性能的銅絲作為導(dǎo)電載體，用在有潤(rùn)滑油飛濺的環(huán)境中，依靠電刷及電刷臂的重力保持銅絲與軸接觸，銅絲與軸摩擦產(chǎn)生的熱量由飛濺的潤(rùn)滑油帶走。意大利新比隆公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)常用這種電刷，電刷的磨損量在接線盒部位有指示標(biāo)尺，可以確認(rèn)電刷的磨損狀態(tài)，可以在線更換，所以一般單支使用。

正常情況下，電刷通過接地線將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子靜電荷導(dǎo)入大地，起到保護(hù)轉(zhuǎn)子的作用。當(dāng)電刷失效或接地線斷開時(shí)，靜電荷將從轉(zhuǎn)子組導(dǎo)通到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸并在軸上不斷聚積，使轉(zhuǎn)子組和轉(zhuǎn)軸電壓越來越高。當(dāng)軸電壓足以擊穿軸瓦與軸頸間的油膜時(shí)，產(chǎn)生火花放電［4］。放電時(shí)電子流轟擊軸瓦,正離子流轟擊軸頸,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,使軸瓦與軸頸上放電處金屬微粒迅速熔化甚至汽化。這一過程極為短促，具有爆炸性質(zhì)，爆炸力把熔化和汽化了的金屬微粒拋離放電表面，金屬微粒被潤(rùn)滑油迅速冷卻、凝固，繼而從間隙中沖走［5］。每次火花放電后，在放電表面留下一個(gè)很微小的小凹坑，隨著放電的不斷進(jìn)行，無數(shù)的小凹坑將出現(xiàn)在放電表面上。

靜電腐蝕的嚴(yán)重程度受壓縮機(jī)組各軸承的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、所受載荷以及潤(rùn)滑油溫度、壓力等因素影響。這些因素的綜合影響可以用軸瓦和軸頸間形成的油膜厚度差別表征。油膜越薄，阻抗越小，油膜越容易被擊穿而產(chǎn)生火花放電［6］。軸頸材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)比軸瓦上的巴氏合金熔點(diǎn)高，每次火花放電軸頸所損失的金屬量要比巴氏合金的損失少，故軸頸和軸瓦相比較，軸瓦磨損會(huì)更快，表面凹坑會(huì)更大。此分析與圖3～圖6上看到的磨損現(xiàn)象是一致的。

軸承發(fā)生靜電腐蝕后，軸承油膜成形不良，軸承和軸瓦的穩(wěn)定性會(huì)因此變差，主要表現(xiàn)為軸承振幅、進(jìn)油量及溫度的變化。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的軸承，存在一定的差別。其中，可傾瓦軸承在振幅和進(jìn)油量方面變化明顯，而圓瓦軸承比較明顯的異常則是溫度變化。這與壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的異常情況也是一致的。

3 靜電腐蝕故障診斷方法

3.1 測(cè)量電刷電流

當(dāng)機(jī)組軸承振動(dòng)或溫度異常上漲時(shí)，可用高精度小量程的電流表對(duì)電刷接地線進(jìn)行電流測(cè)量，一般認(rèn)為電刷電流有效值小于0.2 A是安全的［7］。如果測(cè)量結(jié)果為0，說明電刷失效或接地線故障，可檢查電刷的磨損情況和接地線的通流情況。

3.2 轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測(cè)

如果壓縮機(jī)組安裝有狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可通過轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖判斷機(jī)組是否發(fā)生靜電腐蝕。軸承振動(dòng)傳感器一般采用的是非接觸式電渦流傳感器，電渦流傳感器有通有高頻電流的線圈，當(dāng)金屬導(dǎo)體置于線圈所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，金屬導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，電渦流將產(chǎn)生與交變磁場(chǎng)相反的渦流磁場(chǎng)來阻礙原交變磁場(chǎng)的變化，從而使線圈的阻抗、電感等發(fā)生變化［8］。軸承油膜被擊穿時(shí)會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生軸電流，軸電流所產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)對(duì)電渦流傳感器探頭的高頻磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，使得探頭線圈的高頻電流發(fā)生改變，引起軸承振動(dòng)測(cè)量值發(fā)生波動(dòng)［9］，此種波動(dòng)在轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖和時(shí)基圖上表現(xiàn)為明顯尖角 （圖7和圖8），因此可以根據(jù)軸承軸心軌跡圖判斷哪個(gè)軸承發(fā)生了靜電腐蝕。

圖7 壓縮機(jī)組軸心軌跡示圖

圖8 壓縮機(jī)組軸心時(shí)基圖

4 預(yù)防靜電腐蝕策略

4.1 狀態(tài)圖監(jiān)測(cè)

根據(jù)壓縮機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖形異常，可及早發(fā)現(xiàn)靜電腐蝕，避免不必要的損失。方法是，經(jīng)常查看轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖和時(shí)基圖，留意圖形輪廓，可將圖形出現(xiàn)長(zhǎng)尖角作為確定壓縮機(jī)組發(fā)生靜電腐蝕的特征判據(jù)。這種方法可以在軸承因靜電腐蝕而出現(xiàn)溫度和振幅波動(dòng)之前發(fā)現(xiàn)靜電腐蝕。

4.2 定期專項(xiàng)檢查

（1）檢查電流。用小量程電流表測(cè)量電刷的接地電流，如有穩(wěn)定的電流顯示，說明電刷處于良好的工作狀態(tài)；如無電流顯示，則需要檢查電刷是否與軸承有效接觸，接地線是否接地暢通。

（2）檢查電刷磨損量。檢查的對(duì)象主要是金屬型電刷，此類電刷接線盒內(nèi)一般有磨損量指示標(biāo)尺，當(dāng)指針指向標(biāo)尺上更換字樣標(biāo)注的位置時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換電刷。

（3）檢查接地線。接地線應(yīng)盡可能短，不能繞圈，以免產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)［10］。重點(diǎn)檢查接地線的接頭，確保無松動(dòng)，絕緣良好，整條接地線與機(jī)組殼體間不會(huì)形成電流回路。

4.3 更換電刷

對(duì)于石墨型電刷，由于維護(hù)空間狹小，電刷在線更換風(fēng)險(xiǎn)較大，一般不進(jìn)行在線更換。當(dāng)機(jī)組有停車機(jī)會(huì)時(shí)應(yīng)對(duì)電刷本體進(jìn)行檢查，主要檢查電刷的磨損量及磨損補(bǔ)償動(dòng)作靈活性，磨損量較大和補(bǔ)償量較小的電刷應(yīng)更換。對(duì)金屬型電刷，可在線對(duì)電刷進(jìn)行更換。如銅絲有傾斜角應(yīng)注意電刷安裝方向，要確保銅絲傾斜方向與軸旋轉(zhuǎn)方向一致［11］。

電刷更換后要用頂起螺釘檢查電刷臂的升降動(dòng)作,并將頂起螺釘退到合適位置，確保電刷磨損后的補(bǔ)償行程。

5 結(jié)語

凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組的滑動(dòng)軸承發(fā)生靜電腐蝕是機(jī)組運(yùn)行過程中常見的故障，故障的現(xiàn)象主要表現(xiàn)為軸承溫度的上升和振動(dòng)波動(dòng)的增大。靜電腐蝕對(duì)機(jī)組軸承和轉(zhuǎn)子軸頸損害較大，危及到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，在機(jī)組運(yùn)行中要注意防范，主要是加強(qiáng)軸承運(yùn)行參數(shù)和電刷工作狀態(tài)的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理靜電腐蝕故障，有效減少靜電腐蝕的危害。