某320 MW汽輪機(jī)組軸瓦溫高原因分析及治理

陳志峰

（深圳媽灣電力有限公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

軸承是汽輪機(jī)最重要的部件之一，如果軸承發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)惰走時(shí)間縮短甚至停機(jī)，不利于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，加強(qiáng)汽輪機(jī)軸瓦溫高原因分析及治理研究具有十分重要的意義。軸瓦溫度高是機(jī)組運(yùn)行中比較常見(jiàn)的缺陷，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。如錢(qián)濤[1]通過(guò)清潔汽輪機(jī)中的雜物、對(duì)軸瓦進(jìn)行調(diào)整、提高軸瓦的質(zhì)量、降低運(yùn)行阻力等措施降低瓦溫；張世東等[2]通過(guò)降低軸承標(biāo)高，使機(jī)組運(yùn)行達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)；閆修峰[3]通過(guò)優(yōu)化汽輪機(jī)本體檢修工藝來(lái)確保軸瓦溫度達(dá)標(biāo)。這些研究分別針對(duì)引起瓦溫偏高的不同原因采取了相應(yīng)的治理或處理措施，為汽輪機(jī)軸瓦溫高治理提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。該文針對(duì)某電廠2 號(hào)機(jī)瓦溫高的原因及治理進(jìn)行了如下分析和研究。

1 影響軸瓦溫度的因素

由于汽輪機(jī)軸瓦是在高轉(zhuǎn)速、大載荷的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此必須確保軸瓦運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性以及較小的摩擦力。為了符合軸瓦運(yùn)轉(zhuǎn)要求，汽輪機(jī)通常采用滑動(dòng)軸瓦向軸承內(nèi)連續(xù)不斷地供給壓力、溫度符合軸瓦運(yùn)轉(zhuǎn)要求的潤(rùn)滑油[4]。同時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸頸一般是支撐在軸瓦上的，且軸瓦具有質(zhì)軟、熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，這樣就能夠在高速旋轉(zhuǎn)下形成油膜，產(chǎn)生液體摩擦，進(jìn)而減少摩擦力。而由摩擦力產(chǎn)生的熱量就會(huì)被回油帶走，以此來(lái)使軸承的溫度一直保持在要求范圍內(nèi)。

由上述可知，軸瓦的運(yùn)轉(zhuǎn)情況是由軸瓦溫度、軸瓦振動(dòng)、軸系穩(wěn)定性以及回油溫度等來(lái)決定的。因此，影響軸瓦溫度的因素主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）軸瓦表面存在脫落、損傷現(xiàn)象。當(dāng)軸瓦表面有脫落、損傷，就會(huì)影響油膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而使軸瓦的溫度升高。2）軸瓦與軸頸接觸不均勻。軸瓦與軸頸接觸不良會(huì)增加兩者之間的摩擦力，使軸瓦溫度升高。3）軸瓦載荷分配不均。當(dāng)軸瓦荷載過(guò)大時(shí)，油膜容易破裂，使軸瓦和軸頸局部產(chǎn)生干摩擦，導(dǎo)致軸瓦溫度升高；當(dāng)軸瓦荷載偏小時(shí)，油膜會(huì)過(guò)厚容易失穩(wěn)，發(fā)生油膜振蕩，進(jìn)而引起軸瓦溫度升高。4）軸承潤(rùn)滑油溫度過(guò)高。如果軸承潤(rùn)滑油的溫度過(guò)高，就會(huì)失去其本身的冷卻效果，軸瓦溫度相對(duì)也會(huì)升高。5）軸瓦進(jìn)油量不足或排油不暢。軸承潤(rùn)滑油具有潤(rùn)滑、冷卻功能，如果軸瓦存在進(jìn)油量不足或排油不暢等問(wèn)題時(shí)，就無(wú)法發(fā)揮潤(rùn)滑油的冷卻作用，進(jìn)而導(dǎo)致軸瓦溫度偏高。6）軸瓦與軸頂部間隙不合格。如果軸瓦與軸頂部間隙過(guò)小，當(dāng)機(jī)組高速旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)破壞油膜，軸瓦和軸頸局部就會(huì)產(chǎn)生干摩擦，進(jìn)而使軸瓦溫度升高。

2 設(shè)備概況及故障情況

2.1 設(shè)備概況

某電廠的2 號(hào)機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠引進(jìn)美國(guó)西屋技術(shù)生產(chǎn)的N320—16.7/537/537 型亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組功率為320 MW。該機(jī)組轉(zhuǎn)子部件由高、中壓、低壓、發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)等5 個(gè)轉(zhuǎn)子和8 個(gè)軸承組成，各轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸器連接，軸系布置如圖1 所示。

圖1 某電廠2 號(hào)機(jī)的軸系布置圖

2.2 故障情況

2022 年11 月22 日，2 號(hào)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中停機(jī)惰走時(shí)間25 min，比正常惰走時(shí)間減少20 min。通過(guò)檢查歷史曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2 號(hào)機(jī)在惰走轉(zhuǎn)速407 r/m 時(shí)，#4 軸瓦溫度從62℃開(kāi)始快速上升；當(dāng)惰走轉(zhuǎn)速250 r/m 時(shí)，#4 軸瓦溫度上升至174℃后，又快速下降至正常，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約8 min，嚴(yán)重威脅了機(jī)組的安全運(yùn)行。

鑒于此，檢修人員立刻甩負(fù)荷并停機(jī)翻瓦檢查，對(duì)各部位緊力、軸瓦間隙、頂軸油壓及油封間隙等進(jìn)行測(cè)試。從2號(hào)機(jī)整體運(yùn)行參數(shù)來(lái)看，#4 軸瓦頂軸油壓偏低。通過(guò)對(duì)2 號(hào)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，檢修人員初步判斷#4 軸瓦溫度高與#4 軸瓦機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)和機(jī)組負(fù)荷有關(guān)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是#4 軸瓦在低壓、高載荷下失去油膜，與軸頸產(chǎn)生直接摩擦，造成#4 軸瓦溫度升高，進(jìn)而縮短了惰走時(shí)間。

3 瓦溫異常原因分析

為了詳細(xì)分析并確定#4 軸瓦溫度偏高的原因，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員對(duì)盤(pán)車投入后#4 軸瓦的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢查，并與歷史起機(jī)記錄進(jìn)行了對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)異樣，機(jī)組繼續(xù)啟動(dòng)并逐漸帶負(fù)荷。但是隨著2 號(hào)機(jī)的運(yùn)行，當(dāng)其惰走轉(zhuǎn)速為250 r/m時(shí)，#4 軸瓦溫度逐漸升高至174℃的報(bào)警值。為解決該問(wèn)題，檢修時(shí)提前做好#4 軸瓦檢修的備件及人員安排等相關(guān)準(zhǔn)備工作，并選擇更換一臺(tái)頂軸油泵，以排除因頂軸油泵故障引起瓦溫升高的可能。更換頂軸油泵后，啟動(dòng)機(jī)組運(yùn)行，通過(guò)監(jiān)測(cè)#4 軸瓦的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)#4 軸瓦溫度仍偏高，因此判斷此次瓦溫升高并非由頂軸油泵故障引起。

為此，檢修人員立刻甩負(fù)荷并停機(jī)翻瓦檢查，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)#4 軸瓦勵(lì)端側(cè)有明顯的摩擦痕跡，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)#4 軸瓦頂軸油供油管路與瓦枕接頭處的密封圈出現(xiàn)完全斷裂并脫出密封槽。因此判斷此次#4 軸瓦溫度迅速升高的原因是密封圈斷裂導(dǎo)致#4 軸承供油量大大降低了潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果和冷卻效果，使#4 軸瓦勵(lì)端側(cè)產(chǎn)生干摩擦，進(jìn)而引起#4 軸瓦溫度升高，縮短了機(jī)組停機(jī)惰走時(shí)間。

針對(duì)由密封圈斷裂引起#4 軸瓦溫度升高的問(wèn)題，檢修人員采取更換密封圈，并將#4 軸瓦的下半兩軸瓦進(jìn)行更換的措施。經(jīng)過(guò)相關(guān)措施處理后，重新啟動(dòng)2 號(hào)機(jī)。當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)#4 軸瓦各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其余各項(xiàng)參數(shù)均屬正常，但#4 軸瓦溫度仍偏高，最高可達(dá)102℃，回油溫度不高，但也略高于其余軸瓦。針對(duì)這一現(xiàn)象，檢修人員對(duì)軸瓦的回油溫度和金屬溫度進(jìn)行測(cè)試，選取#1～#6 軸瓦，設(shè)置A、B 共2 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，當(dāng)潤(rùn)滑油溫為38 ℃時(shí)，測(cè)試軸瓦的回油溫度和金屬溫度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1 相關(guān)數(shù)據(jù)可知，#4 軸瓦A、B 測(cè)試點(diǎn)的金屬溫度和回油溫度均高于其他軸瓦。為了徹底解決#4 軸瓦溫度偏高的問(wèn)題，在上次停機(jī)翻瓦檢查的基礎(chǔ)上對(duì)#4 軸瓦的進(jìn)油管、回油濾網(wǎng)等進(jìn)行檢查，運(yùn)行參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)一致，排除了此次#4 軸瓦溫度升高是由供油不足引起的可能性。因此對(duì)2 號(hào)機(jī)各部位緊力、軸瓦間隙及油封間隙等進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得#4 軸瓦頂部間隙為0.58 mm，而設(shè)計(jì)值范圍在0.61 mm～0.71 mm，#4 軸瓦頂部間隙小于設(shè)計(jì)值，頂軸間隙過(guò)小，這就導(dǎo)致機(jī)組在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中加大緊力，油膜容易遭到破壞，進(jìn)而使軸瓦表面與軸頸部出現(xiàn)干摩擦，引起軸瓦溫度升高[5]。并對(duì)#4 軸瓦下部墊鐵與軸承座洼窩的接觸性進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在接觸不良現(xiàn)象，軸瓦與軸承座出現(xiàn)干摩擦，導(dǎo)致軸瓦溫度升高。檢查節(jié)流孔，并未發(fā)現(xiàn)異物，且各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)值[6]。對(duì)#4 軸瓦進(jìn)行解體后，經(jīng)過(guò)綜合分析可知，低壓轉(zhuǎn)子中心偏差較大，中壓轉(zhuǎn)子偏高，導(dǎo)致#4 軸瓦載荷相對(duì)增大，這是引起#4 軸瓦溫度升高的最主要原因。

表1 帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)#1～#6 軸瓦溫度

4 頂軸油壓變化分析

為了驗(yàn)證#4 軸瓦溫度升高是由載荷相對(duì)增大引起的推斷，檢修人員在2 號(hào)機(jī)停機(jī)期間對(duì)#1～#6 軸瓦頂軸油壓變化進(jìn)行了分析。在機(jī)組正常運(yùn)行情況下，低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸瓦載荷相當(dāng)，中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸瓦載荷較輕。因此，在軸瓦相同的情況下，#5 和#6 軸瓦頂軸的油壓應(yīng)該相近，而#3 和#4 軸瓦荷載應(yīng)該相對(duì)較輕，頂軸油壓也應(yīng)該相對(duì)較小。但是，通過(guò)對(duì)滑停過(guò)程中#1～#6 軸瓦頂軸油壓進(jìn)行測(cè)試，并觀察軸瓦頂軸油壓變化情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，#1 和#2 軸瓦頂軸油壓的變化不明顯，但是#4、#5、#6 軸瓦頂軸油壓分布存在異常，其變化情況間表2。

表2 #1～#6 軸瓦頂軸油壓變化情況

通過(guò)分析表1 數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：1）機(jī)組在320 MW 負(fù)荷下，#6 軸瓦頂軸油壓明顯小于其他軸瓦；在220 MW 負(fù)荷下，#6 軸瓦頂軸油壓明顯高于其他軸瓦。在320 MW 和220 MW 負(fù)荷下，#4 和#5 軸瓦頂軸油壓相差不大。由此可以看出，在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下，低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸瓦的部分載荷被中壓轉(zhuǎn)子承擔(dān)，這在一定程度上增加了中壓轉(zhuǎn)子后側(cè)軸瓦載荷，也即增加了#4 軸瓦的載荷。2）在停機(jī)盤(pán)車狀態(tài)下，#4 和#5 軸瓦頂軸油壓分布存在明顯不合理的情況。停機(jī)破真空前，#4 軸瓦頂軸油壓僅達(dá)6.0 MPa，而相鄰#5 軸瓦頂軸油壓卻達(dá)到了13.5 MPa，#4 軸瓦頂軸油壓明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于#5 軸瓦。3）在停機(jī)盤(pán)車狀態(tài)下，破真空后，#4 軸瓦頂軸油壓由6.0 MPa 提高至10.0 MPa，而#5 軸瓦頂軸油壓由13.5 MPa 下降至10.2 MPa，#6 軸瓦頂軸油壓從13.4 MPa 下降至9.2 MPa。由此可以看出，機(jī)組破真空后，#1、#2 軸瓦載荷基本不變，而#4 軸瓦載荷增大，#5 軸瓦和#6 軸瓦載荷減少。由此可見(jiàn)，真空變化對(duì)#1、#2 軸瓦載荷分配影響較小，但是對(duì)#4、#5、#6 軸瓦載荷分配存在較大影響。

通過(guò)上述#1～#6 軸瓦頂軸油壓變化測(cè)試及分析可知，#4、#5、#6 軸瓦之間的載荷分配不合理。在機(jī)組破真空前，#4 軸瓦承受的載荷相對(duì)較輕；#5 軸瓦和#6 軸瓦比其本身所應(yīng)該承受的載荷更重，此時(shí)考慮#5、#6 軸瓦頂軸油管可能存在泄漏或堵塞現(xiàn)象。機(jī)組破真空后，由于排汽缸在大氣壓作用下出現(xiàn)下沉，導(dǎo)致#5 軸瓦的標(biāo)高下降，因此原本應(yīng)由#5 軸瓦承受的載荷轉(zhuǎn)移到#4 軸瓦上。隨著#4 軸瓦載荷的增加，油膜厚度逐漸減少，逐漸失去油膜而與軸頸產(chǎn)生直接摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致#4 軸瓦溫度升高。

5 治理措施

經(jīng)討論，針對(duì)上述引起#4 軸瓦溫升高的原因，應(yīng)采取以下治理措施：1）為了避免熱態(tài)下#4 軸瓦載荷過(guò)大引起瓦溫高現(xiàn)象，通常會(huì)采取重新分配軸瓦荷載的措施。軸瓦載荷分配就是常說(shuō)的轉(zhuǎn)子找中，將聯(lián)軸器斷開(kāi)，對(duì)其端面和圓周偏差進(jìn)行調(diào)整，即為軸瓦載荷的重新分配，與轉(zhuǎn)子是否同心沒(méi)有任何關(guān)系。并在轉(zhuǎn)子中心找好后，人為降低冷態(tài)下#4軸瓦的標(biāo)高，使該軸瓦在冷態(tài)下所承受的載荷減少，與此同時(shí)熱態(tài)下的載荷也相應(yīng)減少。2）為徹底治理此次#4 軸瓦溫度高的問(wèn)題，在此次檢修中還囊括了中、低壓缸解體檢修，調(diào)整了#4 軸瓦墊鐵，使該軸瓦所承受的載荷降低。3）在盤(pán)車狀態(tài)正常的情況下，于沖轉(zhuǎn)前檢查確認(rèn)汽輪機(jī)各軸瓦溫度、軸承振動(dòng)、軸向位移等汽輪機(jī)主保護(hù)是否已正常投入，并啟動(dòng)2 臺(tái)頂軸油泵，將#4 軸瓦頂軸油壓維持在10 MPa 以上；在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，如果#4 軸瓦的溫度、振動(dòng)升高至跳閘值，應(yīng)檢查保護(hù)動(dòng)作跳閘，否則手動(dòng)打閘，按破壞真空緊急停機(jī)處理。轉(zhuǎn)子惰走到0，如果盤(pán)車投不上，悶缸處理；沖轉(zhuǎn)后，密切監(jiān)視各瓦溫度、回油溫度、軸承振動(dòng)等，轉(zhuǎn)速600 r/m 時(shí)停留30 min，全面檢查正常后，繼續(xù)升速至2040 r/m 停留30 min 檢查是否正常（如果冷態(tài)，按冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間進(jìn)行），繼續(xù)升速至3000 r/m 并全面檢查。4）針對(duì)#4 軸瓦頂軸間隙過(guò)小問(wèn)題，應(yīng)更換或刮削止推板進(jìn)行調(diào)整，確保其滿足設(shè)計(jì)要求。5）重新研瓦，確保#4 軸瓦下部墊鐵與軸承座洼窩的接觸面積符合軸瓦檢修工藝要求，其接觸面積必須達(dá)到墊鐵總面積的75%以上，且接觸點(diǎn)須均勻分布[7]，只有這樣才能確保接觸點(diǎn)嚴(yán)密，防止?jié)櫥屯庑埂?/p>

此外，在治理過(guò)程中還應(yīng)注重檢修工藝質(zhì)量，降低各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差，要嚴(yán)格按照質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)收，避免給機(jī)組運(yùn)行留下安全隱患[8]。

6 治理效果

采取上述治理措施后重新啟動(dòng)2 號(hào)機(jī)，發(fā)現(xiàn)#4 軸瓦溫度明顯下降。經(jīng)過(guò)治理，#1～#8 軸瓦的溫度均有變化，治理前、后溫度變化情況見(jiàn)表3。

通過(guò)對(duì)比表3 中#1～#8 軸瓦治理前、后溫度變化情況可知，調(diào)整軸瓦標(biāo)高、降低軸瓦荷載是治理#4 軸瓦溫度高的主要措施，并輔以密切監(jiān)視各瓦參數(shù)、更換或刮削止推板、重新研瓦等措施。通過(guò)調(diào)整#4 軸瓦標(biāo)高、降低該軸瓦荷載后，#4 軸瓦前端溫度降低了18.5℃，后端溫度降低了20.1℃。軸瓦溫度雖然高于其他各軸瓦，但仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。并對(duì)盤(pán)車狀態(tài)正常下的#4 軸瓦的油壓、溫度、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)參數(shù)均屬正常。由此可見(jiàn)，上述治理措施取得了良好的治理效果。

表3 #1～#8 軸瓦治理前、后溫度變化情況

7 結(jié)論

軸瓦是汽輪機(jī)組比較重要的組成部件，溫度過(guò)高不僅會(huì)損壞部件，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。該文以某電廠2 號(hào)機(jī)為研究背景，針對(duì)該機(jī)組#4 軸瓦溫度偏高故障，通過(guò)停機(jī)翻瓦檢查以及對(duì)頂軸油壓變化進(jìn)行分析，驗(yàn)證了此次軸瓦溫度偏高故障主要原因是軸瓦載荷分配不均，次要原因是#4 軸瓦下部墊鐵與軸承座洼窩接觸不良。結(jié)合檢修經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)#4 軸瓦溫度高的問(wèn)題，通過(guò)聯(lián)軸器中心找正、降低#4 軸瓦冷態(tài)下的標(biāo)高并調(diào)整#4軸瓦墊鐵等治理措施，有效降低了#4 軸瓦溫度，取得了良好的治理效果，保障了2 號(hào)機(jī)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。