1. 設(shè)備概述

該空分機組由汽輪機驅(qū)動，工作機包括空壓機和增壓機。其中，汽輪機型號為NKS50/63/28，空壓機型號為RIK100-4，增壓機型號為RZ35-7。機組調(diào)速范圍為4238r/min~5933r/min，額定運行轉(zhuǎn)速為5650 r/min。

汽輪機進汽壓力為3.72MPa，進汽溫度為430°C，排汽壓力為0.016MPa。推力軸承型式為金斯伯雷，軸位移報警門限為±0.50mm，聯(lián)鎖門限為±0.70mm。

圖1 機組總貌圖

2. 故障現(xiàn)象

機組正常運行期間，各設(shè)備振動幅值均不高，其中汽輪機振動值保持在15μm左右，空壓機振動幅值低于15μm，齒輪箱高、低速軸振動幅值均在15μm以下，增壓機振動幅值在30μm，總體振動幅值趨勢均比較平穩(wěn)，從相關(guān)圖譜評估，振動表現(xiàn)無異常。

機組中修后，自2020年2月15日起開始啟機運行，起初各監(jiān)測參數(shù)均比較穩(wěn)定，但在一周后，汽輪機軸位移出現(xiàn)了緩慢變化的趨勢，兩通道軸位移數(shù)值分別從-0.12mm和-0.20mm緩慢變化，一直到2020年7月4日停機時，汽輪機軸位移數(shù)值分別變化至-0.45mm和-0.56mm，累計變化范圍達到0.35mm，觸發(fā)報警門限。

在此期間，汽輪機主推力軸承溫度也有同步變化，從65°C緩慢上漲至80°C左右。而同一時間段內(nèi)，監(jiān)測的壓縮機低壓缸和高壓缸軸位移數(shù)值和推力軸承溫度均無明顯變化。

圖2 汽輪機軸位移趨勢圖

3. 故障分析及結(jié)論

查看此時間段內(nèi)，查看汽輪機軸位移傳感器的GAP電壓趨勢，兩通道GAP電壓值分別從初始的-11V和-12V左右變化至-13.5V和-14.5V，變化范圍達2.5V左右，經(jīng)過計算，GAP電壓值的變化量與位移值的變化基本吻合（1V對應125μm），評估此數(shù)值變化為設(shè)備真實軸位移數(shù)據(jù)，排除儀表方面的異常因素。

圖3 汽輪機軸位移探頭GAP電壓趨勢圖

另外，從GAP電壓數(shù)值的變化上看，表現(xiàn)為位移盤在逐漸遠離傳感器探頭，結(jié)合機組的結(jié)構(gòu)和傳感器布置位置，判斷轉(zhuǎn)子在向著主推力方向緩慢變化。

圖4 汽輪機軸位移測點示意圖

機組在運行過程中，轉(zhuǎn)子逐漸向主推力方向變化一般與軸向力變化或者推力軸承磨損有關(guān)。

針對軸向力發(fā)生改變，一是與負荷調(diào)整有關(guān)。此機組在運行期間，汽輪機的調(diào)汽閥和壓縮機防喘振閥門均未進行過主動調(diào)節(jié)，且壓縮機兩個缸的軸位移數(shù)值和推力軸承溫度都沒有明顯變化，故可排除負荷調(diào)整方面因素；二是與汽輪機通流部分結(jié)垢有關(guān)。

通過查看振動趨勢，1X幅值和1X相位均沒有明顯變化，而且對于判斷通流部分是否結(jié)垢的一個關(guān)鍵指標--輪室壓力上看，也無明顯變化，所以基本可排除結(jié)垢方面的因素。

針對推力軸承磨損方面，一是與殘余軸向力較大，推力軸承不能完全平衡掉軸向力，此一般與設(shè)計有關(guān)，在新機組上可能存在此問題；二是推力軸承出現(xiàn)潤滑不良或者電流腐蝕有關(guān)。

經(jīng)過了解，該機組上次檢修時，在推力軸承及支撐軸承上均發(fā)現(xiàn)有不同程度的微小的黑色凹坑，懷疑此為軸電流腐蝕所致。為排查此問題，建議用戶利用在汽輪機轉(zhuǎn)軸上的裸露位置外接導線測量軸電壓值。

經(jīng)現(xiàn)場人員檢測，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的軸電壓值在60V~80V左右，轉(zhuǎn)子上的確有軸電壓存在，由此判斷此問題與軸電流腐蝕有關(guān)。因推力軸承處存在電腐蝕現(xiàn)象，導致推力瓦塊表面的巴氏合金出現(xiàn)磨損，推力軸承抵消殘余軸向力的能力下降，軸位移和軸承溫度都出現(xiàn)了緩慢變化的情況。

在旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，大部分機組采用的都是滑動軸承，轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時與軸承之間有油膜絕緣。

由于轉(zhuǎn)子對地存在電阻，一旦帶電，就會建立起對地電壓，當電壓升高到某一數(shù)值，就會在電阻Z小的區(qū)域擊穿，發(fā)生電火花放電。而機組中Z容易出現(xiàn)電火花放電的部位就是在徑向軸承和推力軸承的承載面上。

對于徑向滑動軸，軸承電蝕凹坑的發(fā)展會使巴氏合金表面受到嚴重的腐蝕，這不僅會改變軸承的原有間隙，而且表面光潔度下降還會導致軸承表面的擦傷和擦痕、局部高溫和燒傷。推力軸承的電火花燒傷是油膜過薄引起的，一般推力瓦塊在電火花的侵蝕下很快磨耗。

基于此，建議機組在運行時，可嘗試降低油溫至設(shè)計下限，并提高汽輪機推力軸承處的支管油壓，以增加進油量。

4. 故障驗證

機組運行至2020年7月7日，利用停產(chǎn)間歇對汽輪機推力軸承進行了拆解檢查。

發(fā)現(xiàn)在主推力軸承側(cè)每個瓦塊的巴氏合金上，沿止推盤旋轉(zhuǎn)方向均磨出一個斜坡，瓦塊上油楔的出口端磨蝕區(qū)和非磨蝕區(qū)之間存在明顯的界線，磨蝕區(qū)已失去金屬光澤，而非磨蝕區(qū)仍保持巴氏合金原有的加工面光澤。

觀察推力盤兩側(cè)外觀也不相同，主推力側(cè)表面呈淺灰色，像噴過砂一樣沒有光澤，表面布滿了點蝕凹坑，而副推面仍保持加工面的金屬光澤。此為推力軸承出現(xiàn)電腐蝕的典型特征。

圖5 汽輪機主推力軸承拆解照片

軸電流的形成除了外部對轉(zhuǎn)子施加一定的電位之外，大多數(shù)則是與下面的幾種因素感應而產(chǎn)生的：

對于電機類轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生軸電流的原因主要是磁力線分布的不對稱效應與轉(zhuǎn)軸的磁化效應。磁力線分布不對稱通常是由于疊片層的不對稱間隙引起的。除電機類轉(zhuǎn)子外，其它設(shè)備也會因軸的磁化而產(chǎn)生軸電流。

現(xiàn)代大型化工裝置中由蒸汽透平驅(qū)動端離心機組，雖非電力設(shè)備，但有時也會形成很高的軸電流。經(jīng)查閱相關(guān)資料，這是一種由粒子碰撞摩擦引起的靜電效應。

對于蒸汽透平—離心壓縮機組，多數(shù)是由于濕蒸汽粒子碰撞使轉(zhuǎn)子帶電，尤其是冷凝式蒸汽透平，末幾級的濕度含量較高，水蒸氣粒子對轉(zhuǎn)子葉片的碰撞和摩擦引起的靜電效應而帶電。因此在冷凝式蒸汽透平中會比較多的遇到軸電流問題，而在背壓式蒸汽透平中較少發(fā)生。

此外，離心壓縮機和蒸汽透平轉(zhuǎn)子工作時也可能因潤滑油引起帶電，當潤滑油通過過濾器時，由于濾網(wǎng)通路很小，通常只有幾微米，油分子與濾網(wǎng)的碰撞與摩擦會導致分子帶電。當電位升高到一定值時，將在油膜電阻Z低處擊穿而產(chǎn)生電火花放電。

減小或消除軸電流引起的損傷，主要手段是限制軸電壓的升高，一般認為，足以引起軸電流損傷的電壓在20V以上，典型的軸承損傷電壓在30～100V之間。如果把軸電壓降到1V以下，基本上就可以消除軸電流帶來的故障。限制和降低軸電壓主要方法就是增加接地裝置，例如用炭刷使轉(zhuǎn)子對地導通，消除轉(zhuǎn)軸靜電電位。

對于在運轉(zhuǎn)過程中已經(jīng)發(fā)生軸電流侵蝕的機器，使用改變油膜厚度的方法(例如改變油的黏度、改變潤滑油供應量、改變軸承速度和負荷等)也可以減小電流侵蝕的速度，實際使用證明此法有一定效果。

對于蒸汽透平產(chǎn)生的靜電電荷，可以用控制水蒸氣微滴的大小，改變噴嘴和葉片的材料和光潔度等，以減小液滴碰撞和摩擦起電。但是，這種措施對于已在運行中的機器往往是不現(xiàn)實的，它意味著需要重新設(shè)計一套防止產(chǎn)生軸電流的有效裝置。

針對該案例中的汽輪機軸電流問題，建議用戶在下次檢修時在軸端加裝導電刷，使轉(zhuǎn)子對地導通，消除轉(zhuǎn)子靜電電位。當然為徹底去除轉(zhuǎn)子上軸電壓，若有條件Z好將轉(zhuǎn)子返廠做測磁、消磁處理。

本文選自《沈鼓云服務(wù) · 機組故障診斷案例集2020版》