淺談汽輪機(jī)軸瓦的常見故障及檢修技術(shù)

潘航

（浙江省舟山市中海石油舟山石化有限公司，浙江 舟山 316000）

對于汽輪機(jī)組而言，汽輪機(jī)軸瓦的運(yùn)行穩(wěn)定性被認(rèn)為是評價設(shè)備運(yùn)行效能的關(guān)鍵，但根據(jù)各地區(qū)的反饋情況來看，汽輪機(jī)軸瓦在運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各類問題，包括汽輪機(jī)軸瓦燒灼、振動以及溫度異常等現(xiàn)象，極大地威脅了汽輪機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，為解決上述問題，應(yīng)構(gòu)建完整的汽輪機(jī)軸瓦故障處置與檢修體系，這也是本文研究的主要目的。

1 汽輪機(jī)軸瓦的燒灼問題

1.1 問題描述

汽輪機(jī)軸瓦燒灼是汽輪機(jī)組運(yùn)行中較為常見的故障，是指在異常情況下，軸向位移突然超過安全值而造成工作面燒毀或者汽輪機(jī)軸瓦燒灼破壞等。以某100MW機(jī)組為例，在該設(shè)備啟動前未設(shè)軸向位移保護(hù)，在啟動后發(fā)現(xiàn)蒸汽異常，尤其是管道積水現(xiàn)象造成氣溫快速下降，根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示主汽管道、主氣門、調(diào)節(jié)氣門冒白汽，控制盤上顯示軸向位移、脹差滿表，最后造成汽輪機(jī)軸推力瓦磨損6mm 左右，機(jī)組嚴(yán)重受損。

1.2 問題原因分析

根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，造成汽輪機(jī)軸瓦燒灼問題的原因主要包括以下幾方面。

（1）主油泵壓力與流量均低于啟動油泵，造成特性不匹配，在汽輪機(jī)軸瓦并列運(yùn)行下需要啟動油泵，但由于上述問題導(dǎo)致主油泵處于半工作狀態(tài)，一旦停止油泵啟動，則會造成主油泵的流量瞬間發(fā)生改變，入口處的壓力下降，潤滑油向主油泵的補(bǔ)油量快速增加，因此潤滑油壓突降而造成汽輪機(jī)軸瓦問題。

（2）渦輪泵出力不足，設(shè)計流量偏低，再加之橢圓瓦結(jié)構(gòu)下的潤滑油油耗快速增加，因此，在工況改變的情況下，可能造成油泵因?yàn)闅馕g現(xiàn)象造成油壓突然改變，再加之渦輪泵流量減少且轉(zhuǎn)速加大，會進(jìn)一步加劇設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)的氣蝕問題，導(dǎo)致汽輪機(jī)軸瓦燒灼問題發(fā)生。

1.3 汽輪機(jī)軸瓦燒灼破壞的檢修措施

根據(jù)《防止汽輪機(jī)軸瓦損壞的技術(shù)措施》等相關(guān)規(guī)定內(nèi)容，在汽輪機(jī)軸瓦燒灼問題檢修中應(yīng)重點(diǎn)做好以下工作：（1）在汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中若發(fā)現(xiàn)回油溫度或者軸瓦鎢金溫度達(dá)到規(guī)定值時應(yīng)及時停機(jī)。（2）在汽輪機(jī)組日常維修階段，所有設(shè)計潤滑油系統(tǒng)的切斷操作（包括過濾器、啟動定速以及切換冷油器）都需要嚴(yán)格執(zhí)行操作票制度，現(xiàn)場操作人員在相關(guān)技術(shù)人員的監(jiān)督下緩慢進(jìn)行，并與司機(jī)保持聯(lián)系，隨時監(jiān)督設(shè)備的油壓變化情況，若發(fā)現(xiàn)因?yàn)楦鞣N原因造成油壓變化均應(yīng)立即停止，確定油壓改變的原因。同時為保證，在操作中應(yīng)對可能存有空氣的部件與設(shè)備作排氣處理，確定空氣徹底排空后才能與潤滑系統(tǒng)連接。（3）當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)瞬間斷油、水沖擊或者其他原因造成的汽輪機(jī)軸瓦損壞問題后，應(yīng)先查明損壞原因再啟動設(shè)備。（4）應(yīng)保證直流潤滑油泵以及密封油泵系統(tǒng)的電源供給可靠，相關(guān)聯(lián)動裝置回路中裝有交流中間繼電器的情況應(yīng)改為直流中間繼電器，并提升線纜防火與耐火等級，保證系統(tǒng)安全。（5）采用平裝潤滑油系統(tǒng)截門的方式，該結(jié)構(gòu)可避免門桿斷裂后發(fā)生斷油現(xiàn)象，并且為方便后期管理，潤滑油系統(tǒng)與冷油器冷卻水系統(tǒng)之間的截門可改為明桿截門，方便相關(guān)人員隨時了解截門開關(guān)度變化并進(jìn)行處置。（6）執(zhí)行嚴(yán)格的打閘停機(jī)技術(shù)規(guī)范。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，為預(yù)防汽輪機(jī)軸瓦燒灼問題應(yīng)注意以下內(nèi)容：①當(dāng)軸承回油溫度突然提升至70℃；②主軸瓦鎢金溫度大于等于80℃；③潤滑油泵啟動后，發(fā)現(xiàn)油壓低于規(guī)定值。

2 汽輪機(jī)軸瓦振動故障

2.1 汽輪機(jī)軸瓦振動破碎問題研究

2.1.1 問題描述

某廠一臺汽輪發(fā)電機(jī)組在2019 年4 月某日發(fā)現(xiàn)軸承潤滑油壓快速下降，停機(jī)檢查后發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)軸瓦碎裂現(xiàn)象嚴(yán)重，技術(shù)人員采取更換汽輪機(jī)軸瓦的措施，但在更新后運(yùn)行一段時間又一次發(fā)生汽輪機(jī)軸瓦破碎現(xiàn)象。截止至2022 年5 月，近3 年時間，中共發(fā)生9 次汽輪機(jī)軸瓦破碎問題，為解決上述情況，期間技術(shù)人員采用了調(diào)整進(jìn)油溫度、油壓以及優(yōu)化軸承連接剛度等技術(shù)措施，但均未得到有效解決，上述問題存在嚴(yán)重影響了該廠的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2.1.2 汽輪機(jī)軸瓦振動破碎原因分析

為有效解決上述問題，技術(shù)人員對該汽輪機(jī)組展開詳細(xì)調(diào)查，從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min 時，設(shè)備軸頸在水平方向上產(chǎn)生了約為380μm 的位移，而垂直方向的位移量約為250μm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以認(rèn)為，問題汽輪機(jī)組在3000r/min 工況下的最小油膜厚度不足30μm，但按照軸承的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，汽輪機(jī)的最小油膜厚度應(yīng)大于等于60μm，由此可見，在上述工況下最低油膜厚度無法保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定?；谏鲜龇治觯J(rèn)為案例汽輪機(jī)組發(fā)生軸瓦振動破碎的原因主要包括：（1）軸頸振動值偏高而導(dǎo)致軸瓦承受了更多的交變荷載；（2）軸頸晃度異常；（3）軸頸水平位移量異常造成油膜厚度改變。

2.1.3 制定檢修方案

（1）調(diào)整軸系中心。為預(yù)防汽輪機(jī)軸瓦破碎問題，選擇通過調(diào)整軸頸中心的方法控制軸頸晃度值，因此在檢修階段將3 號軸承標(biāo)高抬高100μm 來降低1 號軸承承擔(dān)的荷載，并沿著順時針方向?qū)? 號周正水平移動約100μm 的距離。經(jīng)過上述改動后，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在汽輪機(jī)組低速轉(zhuǎn)動條件下，軸頸的晃動幅度略有減??；隨著轉(zhuǎn)動速度增加，軸承軸頸的偏移振動情況表現(xiàn)得越明顯，但與改造前相比，其水平方向的偏移量減少102μm，垂直方向的偏移量減少78μm，由此認(rèn)為設(shè)備的最小油膜厚度值明顯增加，因此，1 號軸承的振動幅度也會明顯下降，但整體依然偏高。

（2）現(xiàn)場動平衡。為了進(jìn)一步改善1 號軸承的軸頸振動現(xiàn)象，還需要對案例汽輪機(jī)組做動平衡，技術(shù)人員采取的措施包括：①改造汽輪機(jī)末級葉輪，即在葉輪上加重488g ∠180°，改造后結(jié)果顯示，1 號軸承的軸頸振動量明顯下降，但3 號軸承的振動量偏大。②第二次改造集中在對輪上，選擇將對輪加重550g ∠350°，改造后的試運(yùn)行結(jié)果證實(shí)軸承振動量明顯下降，但1 號軸承的軸頸振動幅度增加。③第三次改造主要圍繞發(fā)電機(jī)兩側(cè)進(jìn)行，即在3 號軸承一側(cè)加重300g ∠315°，在四號軸承上加重300g ∠135°。后期試運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改造后軸系各點(diǎn)的振動量明顯下降，平衡效果滿意。

最后，經(jīng)過上述處置后，技術(shù)人員在正常工況下檢查汽輪機(jī)瓦軸的運(yùn)行狀態(tài)情況，根據(jù)現(xiàn)場反饋的信息可以發(fā)現(xiàn)，在滿負(fù)荷狀態(tài)下1 號軸承軸頸在水平方向上的偏移量僅為134μm，而在垂直方向的偏移量約為122μm，此時，裝置最小油膜厚度達(dá)到了138μm，滿足安全生產(chǎn)要求。

2.2 汽輪機(jī)軸瓦油膜振蕩

2.2.1 故障描述

某企業(yè)工作人員發(fā)現(xiàn)某汽輪機(jī)組的3 號汽輪機(jī)軸瓦出現(xiàn)了嚴(yán)重的振蕩現(xiàn)象，整個振蕩持續(xù)時間約為80 分鐘，其中最大振蕩幅度約為141μm，同時比較3 號軸承與正常軸承的振動數(shù)據(jù)差異后發(fā)現(xiàn)，造成該軸承振動的主要原因是變頻振動分量異常，根據(jù)3 號軸承的機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該軸承的軸心位置呈抬高狀，最大提升量達(dá)到了205μm。

2.2.2 汽輪機(jī)軸瓦油膜振蕩的原因分析

一般認(rèn)為，造成汽輪機(jī)軸瓦油膜振蕩的原因是軸承油膜自身存在技術(shù)缺陷，表現(xiàn)為軸瓦壓比偏低、軸承間隙配合超標(biāo)或者軸瓦荷載分布不合理等。同時就設(shè)備本身而言，當(dāng)因?yàn)閮?nèi)外部因素造成減速荷載變化或者汽輪機(jī)進(jìn)汽、抽汽等過程也會影響軸瓦的功能，導(dǎo)致油膜渦動發(fā)展為振蕩。

2.2.3 處理措施

在本次案例中，考慮到3 號軸承的運(yùn)行狀態(tài)較差，并且為避免因?yàn)榇蠓日駝佣l(fā)嚴(yán)重后果，因此決定在設(shè)備運(yùn)行期間采取以下應(yīng)對方案：（1）汽輪機(jī)組運(yùn)行期間應(yīng)避免出現(xiàn)負(fù)荷較大的波動，以此來杜絕軸瓦荷載突然改變而影響油膜的性能。（2）考慮增加潤滑油的油溫來降低黏度，這也是抑制汽輪機(jī)軸瓦振動的有效手段，并且在設(shè)備運(yùn)行后注意記錄軸瓦金屬溫度，避免因?yàn)楦邷卦斐奢S瓦燒灼。（3）合理利用機(jī)組停運(yùn)機(jī)會做好搶修。在搶修后將兩側(cè)汽輪機(jī)軸瓦取下發(fā)現(xiàn)鎢金面嚴(yán)重磨損。

根據(jù)上述現(xiàn)場勘查結(jié)果，為杜絕汽輪機(jī)軸瓦油膜振蕩問題發(fā)生，技術(shù)人員采取了以下應(yīng)對措施：（1）圓滑過渡處理鎢金受損部位，修刮進(jìn)出油口，增大軸瓦壓比。（2）采用軸瓦結(jié)合面車對口方法，將軸瓦頂部的縫隙由最初的0.53mm 下調(diào)0.10mm。（3）現(xiàn)場調(diào)整3 號軸瓦標(biāo)高，盡量保證整個結(jié)構(gòu)的分布合理，因此選擇在軸瓦兩側(cè)墊塊位置設(shè)置0.05mm 墊片，確保墊片的接觸效果良好，無接觸不良情況。

2.2.4 效果評價

經(jīng)過上述處理后，汽輪機(jī)軸瓦油膜振蕩問題得到有效緩解，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，問題軸瓦的X 方向軸振幅約為45.8μm，Y 軸方向振幅約為49.1μm，未發(fā)現(xiàn)低頻成分，機(jī)組自改進(jìn)后尚未發(fā)生汽輪機(jī)軸瓦油膜振蕩問題。

3 汽輪機(jī)軸瓦磨損問題

汽輪機(jī)軸瓦磨損失效是較為常見的故障，其主要原因包括以下幾方面。

3.1 軸頸轉(zhuǎn)動速度

有研究認(rèn)為，汽輪機(jī)軸頸的轉(zhuǎn)動速度成為影響油膜性能的重要指標(biāo)，其中在低轉(zhuǎn)速階段設(shè)備所形成的油膜較薄且承載力差；而隨著轉(zhuǎn)速的增加，油膜厚度不斷增加，承載力也會明顯增加，二者的關(guān)系可以用公式（1）描述。

式中，C 表示軸承特征因數(shù)；η表示潤滑油黏度，單位為MPa；n 表示設(shè)備的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；P 表示軸承單位承受的荷載，單位為kg/cm2。

根據(jù)公式（1）的相關(guān)內(nèi)容可知，當(dāng)C 處于500 ～600 時軸承為穩(wěn)定的流體動力潤滑，而C 的水平越低則潤滑油膜越不易形成。因此，對于汽輪機(jī)而言，在設(shè)備停止、啟動過程中必然存在低轉(zhuǎn)速情況，一般當(dāng)軸頸轉(zhuǎn)速低于153r/min 時C 值偏低，油膜的穩(wěn)定性差，此時任何細(xì)微的外界干擾（如油溫變化、振動等）都會導(dǎo)致油膜破壞而發(fā)生干摩擦問題，最終造成汽輪機(jī)軸瓦磨損，導(dǎo)致軸瓦表面粗糙。為解決上述問題，在設(shè)備停止、啟動過程中，應(yīng)適當(dāng)提升轉(zhuǎn)速來強(qiáng)化潤滑因子水平，解決因?yàn)椴荒苄纬捎湍ざ斐傻哪Σ疗茐膯栴}。也可以在汽輪機(jī)組頂部增設(shè)頂軸油泵，上述改造后，可使高壓力潤滑油進(jìn)入軸頸下方，達(dá)到略微頂起軸頸的效果，其頂起高度約為0.05mm，即可有效緩解設(shè)備磨損破壞現(xiàn)象。也可以在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)的情況下向潤滑油中添加抗磨節(jié)能劑，該物質(zhì)可在軸瓦表面快速形成吸附膜，強(qiáng)化軸頸保護(hù)能力，可預(yù)防軸頸磨損破壞問題發(fā)生。

3.2 硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒

硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒對汽輪機(jī)軸瓦的破壞機(jī)制已經(jīng)得到了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，一般當(dāng)顆粒的粒徑達(dá)到油膜厚度的1/10 時，即可產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損破壞作用。此類細(xì)小顆粒經(jīng)潤滑流體動力學(xué)作用而出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，一旦進(jìn)入潤滑油內(nèi)部后，會導(dǎo)致油膜動力承載特性明顯變化，大量硬質(zhì)顆粒的破壞作用會導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損與疲勞破壞，最終影響鎢金表面性能。同時，固體顆粒的存在也可能造成空氣滯留以及起泡、氧化等破壞作用，改變油膜強(qiáng)度，嚴(yán)重情況下可能造成油膜失效。以某企業(yè)為例，該企業(yè)汽輪機(jī)機(jī)組在運(yùn)行期間所出現(xiàn)軸承金屬溫度升高以及軸瓦鎢金被碾壓問題，根據(jù)技術(shù)人員的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)生碾瓦破壞的軸承上均有較大劃痕，而下瓦則未碾壓部分也可發(fā)現(xiàn)劃痕，根據(jù)這一現(xiàn)象可發(fā)現(xiàn)潤滑油中有直徑較大的顆粒。而后續(xù)的油質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果也證明，油中有一定數(shù)量的機(jī)械雜質(zhì)。為預(yù)防上述問題發(fā)生，在檢修期間可采用以下應(yīng)對措施：（1）嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場環(huán)境管理工作，做到設(shè)備現(xiàn)場解體清掃，并貫徹落實(shí)油路系統(tǒng)管材配置工作，要求所有焊口應(yīng)做到100%氬弧焊打底。（2）保證油循環(huán)壓力，尤其是要提升焊口、三通以及彎頭位置的振打次數(shù)，確保內(nèi)部機(jī)械雜物快速脫落。（3）增加油箱清潔管理力度，必要時可對油箱單獨(dú)進(jìn)行大流量循環(huán)。

4 結(jié)語

對于相關(guān)人員而言，在汽輪機(jī)軸瓦日常檢修處置中，應(yīng)高度了解汽輪機(jī)軸瓦燒灼、振動以及磨損破壞現(xiàn)象，盡早制定針對性的檢修措施，避免故障損失增加，爭取將設(shè)備故障控制在萌芽狀態(tài)，保證汽輪機(jī)正常運(yùn)行，最終為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。