1. 設(shè)備概述

該空分機(jī)組由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作機(jī)包括空壓機(jī)和增壓機(jī)。其中，汽輪機(jī)型號(hào)為NKS50/63/28，空壓機(jī)型號(hào)為RIK100-4，增壓機(jī)型號(hào)為RZ35-7。機(jī)組調(diào)速范圍為4238r/min~5933r/min，額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速為5650 r/min。

汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為3.72MPa，進(jìn)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(bào)警門(mén)限為±0.50mm，聯(lián)鎖門(mén)限為±0.70mm。

圖1 機(jī)組總貌圖

2. 故障現(xiàn)象

機(jī)組正常運(yùn)行期間，各設(shè)備振動(dòng)幅值均不高，其中汽輪機(jī)振動(dòng)值保持在15μm左右，空壓機(jī)振動(dòng)幅值低于15μm，齒輪箱高、低速軸振動(dòng)幅值均在15μm以下，增壓機(jī)振動(dòng)幅值在30μm，總體振動(dòng)幅值趨勢(shì)均比較平穩(wěn)，從相關(guān)圖譜評(píng)估，振動(dòng)表現(xiàn)無(wú)異常。

機(jī)組中修后，自2020年2月15日起開(kāi)始啟機(jī)運(yùn)行，起初各監(jiān)測(cè)參數(shù)均比較穩(wěn)定，但在一周后，汽輪機(jī)軸位移出現(xiàn)了緩慢變化的趨勢(shì)，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(jī)時(shí)，汽輪機(jī)軸位移數(shù)值分別變化至-0.45mm和-0.56mm，累計(jì)變化范圍達(dá)到0.35mm，觸發(fā)報(bào)警門(mén)限。

在此期間，汽輪機(jī)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(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)的壓縮機(jī)低壓缸和高壓缸軸位移數(shù)值和推力軸承溫度均無(wú)明顯變化。

圖2 汽輪機(jī)軸位移趨勢(shì)圖

3. 故障分析及結(jié)論

查看此時(shí)間段內(nèi)，查看汽輪機(jī)軸位移傳感器的GAP電壓趨勢(shì)，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(dá)2.5V左右，經(jīng)過(guò)計(jì)算，GAP電壓值的變化量與位移值的變化基本吻合（1V對(duì)應(yīng)125μm），評(píng)估此數(shù)值變化為設(shè)備真實(shí)軸位移數(shù)據(jù)，排除儀表方面的異常因素。

圖3 汽輪機(jī)軸位移探頭GAP電壓趨勢(shì)圖

另外，從GAP電壓數(shù)值的變化上看，表現(xiàn)為位移盤(pán)在逐漸遠(yuǎn)離傳感器探頭，結(jié)合機(jī)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(jī)軸位移測(cè)點(diǎn)示意圖

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)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(duì)軸向力發(fā)生改變，一是與負(fù)荷調(diào)整有關(guān)。此機(jī)組在運(yùn)行期間，汽輪機(jī)的調(diào)汽閥和壓縮機(jī)防喘振閥門(mén)均未進(jìn)行過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)，且壓縮機(jī)兩個(gè)缸的軸位移數(shù)值和推力軸承溫度都沒(méi)有明顯變化，故可排除負(fù)荷調(diào)整方面因素；二是與汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢有關(guān)。

通過(guò)查看振動(dòng)趨勢(shì)，1X幅值和1X相位均沒(méi)有明顯變化，而且對(duì)于判斷通流部分是否結(jié)垢的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)--輪室壓力上看，也無(wú)明顯變化，所以基本可排除結(jié)垢方面的因素。

針對(duì)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(jì)有關(guān)，在新機(jī)組上可能存在此問(wèn)題；二是推力軸承出現(xiàn)潤(rùn)滑不良或者電流腐蝕有關(guān)。

經(jīng)過(guò)了解，該機(jī)組上次檢修時(shí)，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(wèn)題，建議用戶利用在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸上的裸露位置外接導(dǎo)線測(cè)量軸電壓值。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(wèn)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(dǎo)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(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，大部分機(jī)組采用的都是滑動(dòng)軸承，轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與軸承之間有油膜絕緣。

由于轉(zhuǎn)子對(duì)地存在電阻，一旦帶電，就會(huì)建立起對(duì)地電壓，當(dāng)電壓升高到某一數(shù)值，就會(huì)在電阻Z小的區(qū)域擊穿，發(fā)生電火花放電。而機(jī)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(duì)于徑向滑動(dòng)軸，軸承電蝕凹坑的發(fā)展會(huì)使巴氏合金表面受到嚴(yán)重的腐蝕，這不僅會(huì)改變軸承的原有間隙，而且表面光潔度下降還會(huì)導(dǎo)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(guò)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(jī)組在運(yùn)行時(shí)，可嘗試降低油溫至設(shè)計(jì)下限，并提高汽輪機(jī)推力軸承處的支管油壓，以增加進(jìn)油量。

4. 故障驗(yàn)證

機(jī)組運(yùn)行至2020年7月7日，利用停產(chǎn)間歇對(duì)汽輪機(jī)推力軸承進(jìn)行了拆解檢查。

發(fā)現(xiàn)在主推力軸承側(cè)每個(gè)瓦塊的巴氏合金上，沿止推盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向均磨出一個(gè)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(pán)兩側(cè)外觀也不相同，主推力側(cè)表面呈淺灰色，像噴過(guò)砂一樣沒(méi)有光澤，表面布滿了點(diǎn)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(jī)主推力軸承拆解照片

軸電流的形成除了外部對(duì)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(yīng)而產(chǎn)生的：

對(duì)于電機(jī)類轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生軸電流的原因主要是磁力線分布的不對(duì)稱效應(yīng)與轉(zhuǎn)軸的磁化效應(yīng)。磁力線分布不對(duì)稱通常是由于疊片層的不對(duì)稱間隙引起的。除電機(jī)類轉(zhuǎn)子外，其它設(shè)備也會(huì)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(dòng)端離心機(jī)組，雖非電力設(shè)備，但有時(shí)也會(huì)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(yīng)。

對(duì)于蒸汽透平—離心壓縮機(jī)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(jí)的濕度含量較高，水蒸氣粒子對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的碰撞和摩擦引起的靜電效應(yīng)而帶電。因此在冷凝式蒸汽透平中會(huì)比較多的遇到軸電流問(wèn)題，而在背壓式蒸汽透平中較少發(fā)生。

此外，離心壓縮機(jī)和蒸汽透平轉(zhuǎn)子工作時(shí)也可能因潤(rùn)滑油引起帶電，當(dāng)潤(rùn)滑油通過(guò)過(guò)濾器時(shí)，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?xí)?dǎo)致分子帶電。當(dāng)電位升高到一定值時(shí)，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(rèn)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(lái)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(duì)地導(dǎo)通，消除轉(zhuǎn)軸靜電電位。

對(duì)于在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生軸電流侵蝕的機(jī)器，使用改變油膜厚度的方法(例如改變油的黏度、改變潤(rùn)滑油供應(yīng)量、改變軸承速度和負(fù)荷等)也可以減小電流侵蝕的速度，實(shí)際使用證明此法有一定效果。

對(duì)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(duì)于已在運(yùn)行中的機(jī)器往往是不現(xiàn)實(shí)的，它意味著需要重新設(shè)計(jì)一套防止產(chǎn)生軸電流的有效裝置。

針對(duì)該案例中的汽輪機(jī)軸電流問(wèn)題，建議用戶在下次檢修時(shí)在軸端加裝導(dǎo)電刷，使轉(zhuǎn)子對(duì)地導(dǎo)通，消除轉(zhuǎn)子靜電電位。當(dāng)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(cè)磁、消磁處理。

本文選自《沈鼓云服務(wù) · 機(jī)組故障診斷案例集2020版》