浅谈汽轮机轴瓦的常见故障及检修技术

2024-04-05潘航

中国设备工程 2024年4期

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）

对于汽轮机组而言，汽轮机轴瓦的运行稳定性被认为是评价设备运行效能的关键，但根据各地区的反馈情况来看，汽轮机轴瓦在运行过程中经常会出现各类问题，包括汽轮机轴瓦烧灼、振动以及温度异常等现象，极大地威胁了汽轮机组的运行稳定性。因此，为解决上述问题，应构建完整的汽轮机轴瓦故障处置与检修体系，这也是本文研究的主要目的。

1 汽轮机轴瓦的烧灼问题

1.1 问题描述

汽轮机轴瓦烧灼是汽轮机组运行中较为常见的故障，是指在异常情况下，轴向位移突然超过安全值而造成工作面烧毁或者汽轮机轴瓦烧灼破坏等。以某100MW机组为例，在该设备启动前未设轴向位移保护，在启动后发现蒸汽异常，尤其是管道积水现象造成气温快速下降，根据现场观测结果显示主汽管道、主气门、调节气门冒白汽，控制盘上显示轴向位移、胀差满表，最后造成汽轮机轴推力瓦磨损6mm 左右，机组严重受损。

1.2 问题原因分析

根据现有研究发现，造成汽轮机轴瓦烧灼问题的原因主要包括以下几方面。

（1）主油泵压力与流量均低于启动油泵，造成特性不匹配，在汽轮机轴瓦并列运行下需要启动油泵，但由于上述问题导致主油泵处于半工作状态，一旦停止油泵启动，则会造成主油泵的流量瞬间发生改变，入口处的压力下降，润滑油向主油泵的补油量快速增加，因此润滑油压突降而造成汽轮机轴瓦问题。

（2）涡轮泵出力不足，设计流量偏低，再加之椭圆瓦结构下的润滑油油耗快速增加，因此，在工况改变的情况下，可能造成油泵因为气蚀现象造成油压突然改变，再加之涡轮泵流量减少且转速加大，会进一步加剧设备内部出现的气蚀问题，导致汽轮机轴瓦烧灼问题发生。

1.3 汽轮机轴瓦烧灼破坏的检修措施

根据《防止汽轮机轴瓦损坏的技术措施》等相关规定内容，在汽轮机轴瓦烧灼问题检修中应重点做好以下工作：（1）在汽轮机组运行过程中若发现回油温度或者轴瓦钨金温度达到规定值时应及时停机。（2）在汽轮机组日常维修阶段，所有设计润滑油系统的切断操作（包括过滤器、启动定速以及切换冷油器）都需要严格执行操作票制度，现场操作人员在相关技术人员的监督下缓慢进行，并与司机保持联系，随时监督设备的油压变化情况，若发现因为各种原因造成油压变化均应立即停止，确定油压改变的原因。同时为保证，在操作中应对可能存有空气的部件与设备作排气处理，确定空气彻底排空后才能与润滑系统连接。（3）当设备出现瞬间断油、水冲击或者其他原因造成的汽轮机轴瓦损坏问题后，应先查明损坏原因再启动设备。（4）应保证直流润滑油泵以及密封油泵系统的电源供给可靠，相关联动装置回路中装有交流中间继电器的情况应改为直流中间继电器，并提升线缆防火与耐火等级，保证系统安全。（5）采用平装润滑油系统截门的方式，该结构可避免门杆断裂后发生断油现象，并且为方便后期管理，润滑油系统与冷油器冷却水系统之间的截门可改为明杆截门，方便相关人员随时了解截门开关度变化并进行处置。（6）执行严格的打闸停机技术规范。根据相关企业的成功经验，为预防汽轮机轴瓦烧灼问题应注意以下内容：①当轴承回油温度突然提升至70℃；②主轴瓦钨金温度大于等于80℃；③润滑油泵启动后，发现油压低于规定值。

2 汽轮机轴瓦振动故障

2.1 汽轮机轴瓦振动破碎问题研究

2.1.1 问题描述

某厂一台汽轮发电机组在2019 年4 月某日发现轴承润滑油压快速下降，停机检查后发现汽轮机轴瓦碎裂现象严重，技术人员采取更换汽轮机轴瓦的措施，但在更新后运行一段时间又一次发生汽轮机轴瓦破碎现象。截止至2022 年5 月，近3 年时间，中共发生9 次汽轮机轴瓦破碎问题，为解决上述情况，期间技术人员采用了调整进油温度、油压以及优化轴承连接刚度等技术措施，但均未得到有效解决，上述问题存在严重影响了该厂的正常生产运行。

2.1.2 汽轮机轴瓦振动破碎原因分析

为有效解决上述问题，技术人员对该汽轮机组展开详细调查，从现场监测结果可发现，当汽轮机的转速达到3000r/min 时，设备轴颈在水平方向上产生了约为380μm 的位移，而垂直方向的位移量约为250μm。根据上述数据可以认为，问题汽轮机组在3000r/min 工况下的最小油膜厚度不足30μm，但按照轴承的设计标准，汽轮机的最小油膜厚度应大于等于60μm，由此可见，在上述工况下最低油膜厚度无法保证设备运行稳定。基于上述分析，认为案例汽轮机组发生轴瓦振动破碎的原因主要包括：（1）轴颈振动值偏高而导致轴瓦承受了更多的交变荷载；（2）轴颈晃度异常；（3）轴颈水平位移量异常造成油膜厚度改变。

2.1.3 制定检修方案

（1）调整轴系中心。为预防汽轮机轴瓦破碎问题，选择通过调整轴颈中心的方法控制轴颈晃度值，因此在检修阶段将3 号轴承标高抬高100μm 来降低1 号轴承承担的荷载，并沿着顺时针方向将1 号周正水平移动约100μm 的距离。经过上述改动后，根据现场测试结果发现，在汽轮机组低速转动条件下，轴颈的晃动幅度略有减小；随着转动速度增加，轴承轴颈的偏移振动情况表现得越明显，但与改造前相比，其水平方向的偏移量减少102μm，垂直方向的偏移量减少78μm，由此认为设备的最小油膜厚度值明显增加，因此，1 号轴承的振动幅度也会明显下降，但整体依然偏高。

（2）现场动平衡。为了进一步改善1 号轴承的轴颈振动现象，还需要对案例汽轮机组做动平衡，技术人员采取的措施包括：①改造汽轮机末级叶轮，即在叶轮上加重488g ∠180°，改造后结果显示，1 号轴承的轴颈振动量明显下降，但3 号轴承的振动量偏大。②第二次改造集中在对轮上，选择将对轮加重550g ∠350°，改造后的试运行结果证实轴承振动量明显下降，但1 号轴承的轴颈振动幅度增加。③第三次改造主要围绕发电机两侧进行，即在3 号轴承一侧加重300g ∠315°，在四号轴承上加重300g ∠135°。后期试运行结果发现，改造后轴系各点的振动量明显下降，平衡效果满意。

最后，经过上述处置后，技术人员在正常工况下检查汽轮机瓦轴的运行状态情况，根据现场反馈的信息可以发现，在满负荷状态下1 号轴承轴颈在水平方向上的偏移量仅为134μm，而在垂直方向的偏移量约为122μm，此时，装置最小油膜厚度达到了138μm，满足安全生产要求。

2.2 汽轮机轴瓦油膜振荡

2.2.1 故障描述

某企业工作人员发现某汽轮机组的3 号汽轮机轴瓦出现了严重的振荡现象，整个振荡持续时间约为80 分钟，其中最大振荡幅度约为141μm，同时比较3 号轴承与正常轴承的振动数据差异后发现，造成该轴承振动的主要原因是变频振动分量异常，根据3 号轴承的机组带负荷运行结果发现，该轴承的轴心位置呈抬高状，最大提升量达到了205μm。

2.2.2 汽轮机轴瓦油膜振荡的原因分析

一般认为，造成汽轮机轴瓦油膜振荡的原因是轴承油膜自身存在技术缺陷，表现为轴瓦压比偏低、轴承间隙配合超标或者轴瓦荷载分布不合理等。同时就设备本身而言，当因为内外部因素造成减速荷载变化或者汽轮机进汽、抽汽等过程也会影响轴瓦的功能，导致油膜涡动发展为振荡。

2.2.3 处理措施

在本次案例中，考虑到3 号轴承的运行状态较差，并且为避免因为大幅度振动而引发严重后果，因此决定在设备运行期间采取以下应对方案：（1）汽轮机组运行期间应避免出现负荷较大的波动，以此来杜绝轴瓦荷载突然改变而影响油膜的性能。（2）考虑增加润滑油的油温来降低黏度，这也是抑制汽轮机轴瓦振动的有效手段，并且在设备运行后注意记录轴瓦金属温度，避免因为高温造成轴瓦烧灼。（3）合理利用机组停运机会做好抢修。在抢修后将两侧汽轮机轴瓦取下发现钨金面严重磨损。

根据上述现场勘查结果，为杜绝汽轮机轴瓦油膜振荡问题发生，技术人员采取了以下应对措施：（1）圆滑过渡处理钨金受损部位，修刮进出油口，增大轴瓦压比。（2）采用轴瓦结合面车对口方法，将轴瓦顶部的缝隙由最初的0.53mm 下调0.10mm。（3）现场调整3 号轴瓦标高，尽量保证整个结构的分布合理，因此选择在轴瓦两侧垫块位置设置0.05mm 垫片，确保垫片的接触效果良好，无接触不良情况。

2.2.4 效果评价

经过上述处理后，汽轮机轴瓦油膜振荡问题得到有效缓解，根据现场检测结果发现，问题轴瓦的X 方向轴振幅约为45.8μm，Y 轴方向振幅约为49.1μm，未发现低频成分，机组自改进后尚未发生汽轮机轴瓦油膜振荡问题。

3 汽轮机轴瓦磨损问题

汽轮机轴瓦磨损失效是较为常见的故障，其主要原因包括以下几方面。

3.1 轴颈转动速度

有研究认为，汽轮机轴颈的转动速度成为影响油膜性能的重要指标，其中在低转速阶段设备所形成的油膜较薄且承载力差；而随着转速的增加，油膜厚度不断增加，承载力也会明显增加，二者的关系可以用公式（1）描述。

式中，C 表示轴承特征因数；η表示润滑油黏度，单位为MPa；n 表示设备的转速，单位为r/min；P 表示轴承单位承受的荷载，单位为kg/cm2。

根据公式（1）的相关内容可知，当C 处于500 ～600 时轴承为稳定的流体动力润滑，而C 的水平越低则润滑油膜越不易形成。因此，对于汽轮机而言，在设备停止、启动过程中必然存在低转速情况，一般当轴颈转速低于153r/min 时C 值偏低，油膜的稳定性差，此时任何细微的外界干扰（如油温变化、振动等）都会导致油膜破坏而发生干摩擦问题，最终造成汽轮机轴瓦磨损，导致轴瓦表面粗糙。为解决上述问题，在设备停止、启动过程中，应适当提升转速来强化润滑因子水平，解决因为不能形成油膜而造成的摩擦破坏问题。也可以在汽轮机组顶部增设顶轴油泵，上述改造后，可使高压力润滑油进入轴颈下方，达到略微顶起轴颈的效果，其顶起高度约为0.05mm，即可有效缓解设备磨损破坏现象。也可以在不影响企业正常生产的情况下向润滑油中添加抗磨节能剂，该物质可在轴瓦表面快速形成吸附膜，强化轴颈保护能力，可预防轴颈磨损破坏问题发生。

3.2 硬质杂质颗粒

硬质杂质颗粒对汽轮机轴瓦的破坏机制已经得到了相关学者的广泛关注，一般当颗粒的粒径达到油膜厚度的1/10 时，即可产生严重的磨损破坏作用。此类细小颗粒经润滑流体动力学作用而出现聚集现象，一旦进入润滑油内部后，会导致油膜动力承载特性明显变化，大量硬质颗粒的破坏作用会导致金属表面出现严重的磨损与疲劳破坏，最终影响钨金表面性能。同时，固体颗粒的存在也可能造成空气滞留以及起泡、氧化等破坏作用，改变油膜强度，严重情况下可能造成油膜失效。以某企业为例，该企业汽轮机机组在运行期间所出现轴承金属温度升高以及轴瓦钨金被碾压问题，根据技术人员的现场调查结果发现，发生碾瓦破坏的轴承上均有较大划痕，而下瓦则未碾压部分也可发现划痕，根据这一现象可发现润滑油中有直径较大的颗粒。而后续的油质化验结果也证明，油中有一定数量的机械杂质。为预防上述问题发生，在检修期间可采用以下应对措施：（1）严格执行现场环境管理工作，做到设备现场解体清扫，并贯彻落实油路系统管材配置工作，要求所有焊口应做到100%氩弧焊打底。（2）保证油循环压力，尤其是要提升焊口、三通以及弯头位置的振打次数，确保内部机械杂物快速脱落。（3）增加油箱清洁管理力度，必要时可对油箱单独进行大流量循环。