汽輪機軸瓦的常見故障及檢修措施研究

［摘 要］軸瓦是汽輪機組的重要組成部分，長期運行可能導致磨損和振動加劇。如不進行定期檢查及維修，可能引發(fā)高溫甚至停機風險，對設備安全穩(wěn)定運行構成嚴重威脅。文章探討了軸瓦的運行原理及常見故障，介紹了軸瓦檢修技巧，結(jié)合具體案例分析，以提高汽輪機組運行的穩(wěn)定性。

［關鍵詞］汽輪機；軸瓦；常見故障；檢修技術

［中圖分類號］TM311 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0110–03

1 汽輪機軸瓦概述

1.1 汽輪機軸瓦作用及其材質(zhì)特性

作為汽輪機組核心部件之一，軸瓦主要作用在于承載軸頸負荷，建立穩(wěn)定的油膜并減小摩擦。其外觀平整光亮，使用耐磨材料制造，形狀為圓弧形。根據(jù)支撐部位和方向不同，可分為徑向瓦和軸向瓦兩類。其中，徑向瓦用于支撐汽輪機轉(zhuǎn)子，而軸向瓦則負責軸向定位。

1.2 汽輪機軸瓦工作原理

若軸瓦與轉(zhuǎn)軸間摩擦過劇，會產(chǎn)生摩擦熱量，從而導致軸瓦嚴重磨損。雖然軸瓦采用特殊材質(zhì)制造，但若直接接觸摩擦仍有可能因高溫造成損壞。軸瓦的基本結(jié)構如圖1 所示。

2 汽輪機軸瓦的常見故障及檢修措施

2.1 汽輪機軸瓦振動大問題

2.1.1 汽輪機軸瓦振動過大的判定方法

面對汽輪機軸瓦振動過大的現(xiàn)象，首要任務是評估設備的整體狀況。這其中可能涉及設計、運行、制造、檢修、安裝等多個環(huán)節(jié)。如設備從投產(chǎn)之日起就未曾出現(xiàn)過這類問題，那么可以初步排除設計與制造的因素。而檢修與安裝中存在的動靜不平衡、葉片結(jié)垢、軸承標高等問題都可能導致振動。如果在檢修完成后首次啟動就發(fā)現(xiàn)振動過大，應從這些方面入手調(diào)查；反之，如果在運行一段時間后才出現(xiàn)振動過大，則應主要關注運行因素。經(jīng)過上述步驟，能對汽輪機軸瓦振動過大的基本情況作出準確判斷。

2.1.2 軸瓦振動大的檢修案例

文章對自2012 年投產(chǎn)以來的一臺亞臨界機組進行了深入研究。2020 年6 月2 號瓦x 和y 方向振動振幅大幅增加，從78 μm/90 μm 增至117 μm/121 μm，隨后趨于穩(wěn)定。特別注意到，該故障只發(fā)生在2號軸瓦上，不存在因膨脹而引起的振動。同時，如果機組的葉片或零件發(fā)生了故障，通常會有很大的異常噪聲，而這次卻沒有。通過精確地檢測汽輪機的各個重要部件的溫度，一切都在合理的范圍之內(nèi)。停機檢查后，發(fā)現(xiàn)2 號軸承探針被金屬物體粘附，在高速轉(zhuǎn)動時，探針檢測到主軸有橢圓的變形，誤以為是振動原因，但實際情況良好。通過對主軸直徑的高點進行磨光，使軸承的振動降到了原來的水平。

2.2 汽輪機軸瓦的燒灼問題

2.2.1 存在的問題

汽輪機軸瓦燒瓦是大型機組在使用過程中經(jīng)常發(fā)生的一種故障，主要表現(xiàn)為軸承軸向位移超過了安全界限，造成軸承和軸承座的損壞。例如，一臺100 MW 機組在啟動之前沒有安裝軸向變位保護，啟動后由于出現(xiàn)了異常蒸汽，尤其是管道內(nèi)的積水，使溫度急劇下降，蒸汽管道、主氣閥及調(diào)整閥出現(xiàn)了白色蒸汽，控制板出現(xiàn)了軸向偏移和脹差滿表的現(xiàn)象，最后造成了汽輪機推力瓦6 mm 左右的磨損，造成了機組的嚴重損壞。

2.2.2 故障原因

（1）主油泵的壓力和流量低于起動泵，造成了性能的不匹配。當機組并聯(lián)運行時，需要啟動油泵，但因以上原因，造成了主油泵的“半運轉(zhuǎn)”，當停機后，主油泵的流量會發(fā)生瞬間變化，進口壓力減小，機油補充到主油泵中的油量會快速增加，造成機油壓力急劇降低，進而引起軸瓦故障。

（2）渦輪泵的出力不夠，設計的流量偏小，加之橢圓片的構造，使得機油的耗油量大幅提高。當運行條件發(fā)生變化時，由于汽蝕現(xiàn)象會造成油泵壓力突然升高，加之渦輪泵的排量降低和轉(zhuǎn)速升高，會使設備內(nèi)部汽蝕問題更加嚴重，最終造成軸瓦燒損。

2.2.3 針對燒透的汽輪機軸瓦的維修措施

按照《防汽輪機軸瓦損壞技術措施》及其他有關規(guī)定，對軸承燒損進行維修，主要包括以下方面。

（1）在使用過程中，如果出現(xiàn)返油溫度過高、軸承套鋼鎢合金的溫度超過規(guī)定，必須立即停止生產(chǎn)。

（2）在保養(yǎng)過程中，嚴格按照規(guī)定，重點關注對機油系統(tǒng)有影響的操作（如更換過濾器、啟動定速、冷卻油切換等），并隨時注意液壓的變化。如果發(fā)現(xiàn)有不正常的油壓波動，應該馬上停車檢查。另外，為了確保安全，必須對可能存在氣體的部分及設備進行抽氣，確保沒有殘余氣體后，才能啟動潤滑系統(tǒng)。

（3）對因斷油、水錘或其他原因引起的軸承損壞，在確定起動前，必須查明故障的根源。

（4）保證直流潤滑泵和密封泵系統(tǒng)的電力供應的穩(wěn)定性，將中間繼電器替換成了中間的直流繼電器，提高了電纜的防火和防火能力，從而保證了整個系統(tǒng)的安全性。

（5）為防止因閥桿折斷而造成的斷油意外，便于日后的維護，且方便操作人員對閥口的變化進行實時監(jiān)測，并對其進行適時調(diào)節(jié)，將機油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)之間的閥門換成了明桿式。

（6）嚴格按《打閘停機技術規(guī)程》進行操作。軸瓦燒蝕的表現(xiàn)如下：①回油溫度突然升高到70℃或伴有其他異常（如油壓下降、油質(zhì)變化等）；②錠子瓦的鎢金溫升在80℃以上；③潤滑油泵在起動后，其壓力降至規(guī)定值以下。

2.3 汽輪機軸瓦振動破碎問題

2.3.1 故障描述

2019 年4 月，某發(fā)電廠汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)軸承潤滑油壓驟降致緊急停車現(xiàn)象。經(jīng)檢查，軸瓦嚴重受損，遂進行更換。然不久后新軸瓦再度損壞。此后至2022年5 月，3 a 間該機組發(fā)生此類事故9 次。對此，技術團隊曾試圖調(diào)整進油溫度、壓力，以及改善軸承連接剛度等措施，未見明顯成效，嚴重影響生產(chǎn)運行。

2.3.2 故障原因

為深入探析矛盾根源，技術團隊專項調(diào)研了該蒸汽輪機組。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，當汽輪機轉(zhuǎn)速達3 000 r/min 轉(zhuǎn)時，設備軸頸水平方向移動約380 μm，垂直方向移動約250 μm。由此推定，在此工況下，汽輪機油膜厚度僅約30 μm，遠低于軸承設計標準的60 μm。故軸頸振動過大、晃動異常及水平位移過大成為軸瓦振動破碎主因。

2.3.3 檢修方案

（1）嚴密關注并調(diào)整軸系中心。為了防止汽輪機軸瓦遭受破壞性損傷，需要精確調(diào)整軸頸中心來掌控晃度值。因此，在每次檢修期內(nèi)，將3 號軸承的標高向上提升了100 μm，這使得該軸承的負擔得以減輕。此外，還將1 號軸承向順時針方向水平移動了大約100 μm。經(jīng)過實驗驗證，在汽輪機低速運轉(zhuǎn)階段，軸頸的晃動程度確實得到了一定程度的緩解。然而，隨著轉(zhuǎn)速的逐步攀升，軸承軸頸的偏移振動愈發(fā)劇烈，但水平偏移與垂直偏移分別減少了102 μm 及78 μm，這就意味著最小油膜厚度有了顯著增長。盡管如此，1 號軸承的振動仍然保持在較高水平。

（2）實地開展動平衡工作。為了有效解決1 號軸承軸頸振動的問題，決定對整個汽輪機組實施動平衡操作。以下是采取的具體措施：①對汽輪機末級葉輪進行必要改造，并在此基礎上加裝重量為488 g 且角度為180° 的配重塊。實驗數(shù)據(jù)證實，1 號軸承軸頸振動得到了明顯緩解，但是3 號軸承的振動卻出現(xiàn)了輕微上升趨勢。②對輪進行相應改造，并在此基礎上加裝重量為550 g 且角度為350° 的配重塊。試運行的結(jié)果顯示，軸承振動大幅下降，然而1 號軸承軸頸振動卻不降反增。③對發(fā)電機兩側(cè)進行改造，在3 號軸承一側(cè)加裝重量為300 g 且角度為315° 的配重塊，而在4 號軸承上則加裝重量為300 g 且角度為135° 的配重塊。最后，軸系各點的振動都有了明顯降低，平衡效果十分理想。經(jīng)過上述處理之后，在正常工況下檢查汽輪機瓦軸的運行狀況，發(fā)現(xiàn)滿負荷狀態(tài)下1 號軸承軸頸的水平偏移僅為134 μm，垂直偏移約為122 μm，此時最小油膜厚度達到了138 μm，完全符合安全生產(chǎn)的嚴格標準。

2.4 汽輪機軸瓦磨損問題

在汽輪機運行過程中，軸瓦失效是一種較普遍的異?，F(xiàn)象，其主要根源可以歸結(jié)于如下方面。

2.4.1 軸頸轉(zhuǎn)動速度

依據(jù)科學分析，汽輪機軸頸轉(zhuǎn)動速度被確立為評價油膜效能的核心指標。轉(zhuǎn)速較低時，所生成的油膜質(zhì)地單薄且負載能力不足。隨著轉(zhuǎn)速攀升，油膜逐漸增厚，負載能力也隨之大幅提高，這一現(xiàn)象可由公式（1）進行精確描述。

由式（1）可知，C 值為500MPa～600MPa 可保證軸承穩(wěn)定的流體動力潤滑，否則難于形成穩(wěn)固且具厚度的潤滑油膜。對于汽輪機這類設備，停啟過程中常處于低速運轉(zhuǎn)，尤其當軸頸轉(zhuǎn)速低于153 r/min 時，C值過低，油膜穩(wěn)定性降低，易受外界干擾（如油溫波動、振動等）導致油膜破裂，引發(fā)干摩擦，造成軸瓦磨損和表面粗糙化。為解決此問題，可在設備停啟期間適度提升轉(zhuǎn)速，改善潤滑效果，避免因無油膜保護而產(chǎn)生的摩擦損傷。另外，在汽輪機組頂部安裝頂軸油泵，高壓潤滑油注入軸頸下方，輕微抬升軸頸，抬升高度約0.05 mm，有助于減少設備磨損?；蛟诓挥绊懮a(chǎn)的情況下，向潤滑油中添加抗磨節(jié)能劑，該添加劑能快速在軸瓦表面形成吸附膜，強化軸頸防護，防止磨損。

2.4.2 硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒

硬粒子是導致汽輪機軸承瓦磨損失效的主要原因。研究表明，當微粒的直徑達到油膜厚度的1/10 時，就會產(chǎn)生明顯的磨損。該顆粒在水動力作用下極易積累，當其進入潤滑介質(zhì)后，會顯著改變材料的動態(tài)承載性能，造成材料表面的劇烈磨損和疲勞破壞，從而縮短材料的使用壽命。此外，固體粒子還會造成空氣滯留、氣泡生成及氧化損傷，使薄膜的強度發(fā)生變化，嚴重時還會造成薄膜的破壞。如一家公司的一臺汽輪機組在使用過程中發(fā)生了軸承金屬溫升升高、軸瓦鎢金碎裂等事故。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)發(fā)生磨瓦損壞的軸承表面都有很深的劃痕，而在沒有被碾壓的部位也有劃痕，因此可以推斷，機油中存在著大量的微粒。隨后的油樣分析也證明了這種看法：原油中含有大量的機械雜質(zhì)。為防止此類問題再次發(fā)生，提出了以下對策：①加強對施工現(xiàn)場的環(huán)境治理，對設備進行拆卸清理，對油路系統(tǒng)的管路進行布置，所有的節(jié)點都要用100% 氬弧焊接；②確保機油循環(huán)壓力，特別是焊接接頭、三通和彎頭等處的振動頻率，促使機器垃圾迅速排出；③加強油箱的清洗和管理，如有需要，可以對油箱實施獨立的大流量回收。

2.4.3 軸瓦磨損的換瓦處理案例

某電企在裝配軸承瓦片時，因頂隙過小，導致運轉(zhuǎn)過程中下半部瓦片遭受嚴重磨損，而上半部卻未受波及。檢測及測算結(jié)果顯示，軸頸與測規(guī)（橋規(guī)）間隙為0.65 mm，而測規(guī)實際測量值為0.62 mm。經(jīng)溫度修正后，推算所得的瓦片磨損度為0.11 mm。測規(guī)測量示意如圖2 所示。

鑒于軸承安裝原始數(shù)據(jù)不足且存在重大安全隱患（軸承負荷分配失調(diào)，導致軸系震動），該襯瓦最終更換，替換后保證軸承頂部間隙在0.55～0.65 mm，軸承壓蓋緊力在0.02～0.05 mm，以保障設備穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。此外，以2023 年7 月1 日二期5 號汽包水位異常跳閘為實例進行分析：在首次跳閘惰走過程中，5 號機組瓦溫出現(xiàn)波動；再次啟動時，瓦溫急劇上升，達到174.42℃。據(jù)此推測，可能是2 號軸瓦磨損所致。隨后，對主油箱回油濾網(wǎng)進行檢查，發(fā)現(xiàn)大量鎢金殘渣。進一步觀察2 號軸瓦溫度變化曲線及油箱回油濾網(wǎng)上的鎢金碎屑，確認2 號軸瓦已嚴重磨損，需更換瓦塊。在更換軸承瓦塊時，適當調(diào)整2 號軸承負荷，減輕其承受壓力。

3 結(jié)束語

關于汽輪機軸瓦故障的誘發(fā)原因眾多且復雜多變，可以依據(jù)汽輪機軸瓦當下的真實狀況和運行情況，采用精準獨特的診斷分析方法，對可能導致此類故障的成因進行逐一細致的篩選和認定。通過這樣的過程，可快速而又果斷地采取相應的措施來修復汽輪機軸瓦，使之重新恢復到正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)。文章深入淺出地剖析了汽輪機軸瓦常見的故障類型及相應的檢修措施，其研究成果對于提高汽輪發(fā)電機組的安全性和可靠性具有深遠且重大的價值和意義。

參考文獻

[1] 郭雅冬. 汽輪機軸瓦的常見故障及檢修技術分析[J]. 電工技術，2023（14）：118-120.