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            軸位移故障類案例:某廠空分機組軸位移持續上漲故障

            1、設備概述

            該空分機組由汽輪機驅動,額定轉速為5540r/min,空壓機設計流量為155000Nm3/h,進口壓力為0.087MPa(A),出口壓力為0.61MPa(A),額定功率為13780Kw;增壓機進口壓力為0.57MPa(A),出口壓力為7.2 MPa(A),其額定工作轉速為14205 r/min。其中汽輪機振動報警門限為50μm,聯鎖停機門限為75μm;軸位移報警門限為±0.40mm,聯鎖停機門限為±0.6mm。

            圖1 機組總貌圖

            2、故障現象

            自2018年10月份起,汽輪機軸位移呈持續緩慢變化的趨勢,至2018年12月中旬時,軸位移數值從0.16mm爬升至0.42mm左右(圖2中黃色線),觸發報警。在此期間,推力軸承溫度隨之小幅變化,但主/副止推軸承溫度均低于55°C,溫度不高;經與用戶溝通,獲知在此期間未對負荷做大幅調整;且在同一時間段內增壓機和空壓機軸位移均未改變(圖2中紅色&綠色線)。

            圖2 空分機組軸位移趨勢圖

            圖3 汽輪機推力軸承溫度趨勢圖

            3、故障分析

            對于汽輪機軸位移值異常增大的問題,一般來說常見的原因分為三類:一是測量儀表問題導致軸位移數據失真;二是轉子軸向力增大(葉輪兩側壓差變大);三是止推軸承發生了較為嚴重的磨損。

            (1)測量儀表方面:通過查看SG8000在線監測系統中軸位移探頭的間隙電壓趨勢,發現兩通道變化趨勢基本相同,見圖4。間隙電壓值從運行初始時的-11.4V左右變化至-13V左右,變化量近2V,數值上表現為傳感器探頭逐漸遠離位移測量圓盤,即沿軸向力方向變化。經過計算,間隙電壓值的變化量與位移值的變化基本吻合(1V對應125μm),故可確定軸位移儀表正常,數據為機組真實位移情況。

            圖4 汽輪機GAP電壓趨勢圖

            (2)軸向力方面:轉子軸向力產生的原因是由于葉輪兩側存在著壓差?,F代汽輪機都帶有一定的反動度,在各級動葉片前后會有壓力差,壓力差作用在動葉片會產生軸向推力。葉輪出口壓力與葉輪入口壓力之差值越大,則葉輪產生的軸向力就越大。就汽輪機而言,其軸向推力的方向是由進汽側指向排汽側(即高壓指向低壓)。而造成轉子軸向力變化的常見原因包括負荷增加、蒸汽帶液、通流部分結垢以及進汽壓力過低、進汽溫度過低、排汽壓力過高等等。如果是蒸汽帶液或流量過大,一般對軸向力影響很大,會造成軸位移和軸承溫度瞬間大幅上漲,嚴重甚至發生重大事故,而本例中,汽輪機軸位移為緩慢上漲,故可排除。通過對比實時監測數據,汽輪機進汽壓力、溫度、排汽壓力、溫度等均無明顯變化,且均符合技術要求,所以非蒸汽參數變化所致。對于汽輪機通流部分結垢問題,確實符合軸位移緩慢上漲的現象,因為當汽輪機通流部分出現結垢后,會使通流面積減小,造成級內焓降增大,使汽輪機級內效率降低,同時增大反動度,使級間壓力差增大,導致轉子軸向推力增大。而當汽輪機出現結垢時,往往從振動上也會有所體現,一般振動呈緩慢上漲趨勢,工頻相位也會出現小幅變化,表現出漸變不平衡的特征,但這些現象在這臺汽輪機軸振動上均未體現。而且對于判斷通流部分是否結垢的一個關鍵指標-輪室壓力上看也無明顯變化,所以基本可排除結垢方面的因素。

            圖5 空分機組示意圖

            (3)止推軸承磨損方面,除了軸向力過大會引起軸承磨損之外,還與軸承自身的裝配因素如推力瓦塊接觸不良受力不均、推力瓦塊承壓銷釘及基環硬度不足、推力盤表面粗糙度較差等原因,另外還與潤滑條件有關,如潤滑油溫度過高,會影響油膜厚度及剛度,油膜承載力下降造成邊界潤滑磨損。

            通過排除法對上述原因進行逐一排除后,認為軸承出現異常磨損是導致該汽輪機軸位移持續上漲最可能的原因,但磨損的原因還需進一步排查?,F場人員通過對油溫、油壓的調節均沒能有效遏制軸位移持續上漲的趨勢。在一次討論會上,一設備人員反饋之前檢修時曾發現徑向軸承上疑似有電腐蝕的現象,會不會是電腐蝕導致的軸承磨損,進而使軸位移增大?在查找相關資料后,發現確有先例。

            隨后現場人員組織測量軸電壓值,在汽輪機軸裸露的位置利用萬用表測量軸電壓,發現軸電壓最高達200多伏,由此看該汽輪機轉子確實存在帶電的情況。因機組短期內無法停機,決定加裝臨時導電系統。2018年12月10日,在汽輪機進汽側轉子軸裸露處加裝了一根金屬導體(接地),見圖6。再次測量軸電壓值降至2V以下,在加裝導電棒處有明顯電火花現象;

               圖6 軸電壓測量及加裝臨時導電系統

            加裝導電系統后,軸位移上漲趨勢立即停止。隨后經過2個多月的觀察,軸位移傳感器間隙電壓趨勢穩定,至2019年2月份停機檢修時,軸位移值始終穩定在0.42mm左右。

            圖7 汽輪機軸位移趨勢圖

            4、故障驗證&處理

            2019年2月,用戶停機進行檢修,拆解后發現主推力軸承存在異常磨損,見下圖。其特征為:磨損部分與未磨損部分有清晰的分界線,巴氏合金被磨成一斜坡;磨損表面失去原有加工表面的光潔度,形似噴砂后的金屬表面。主推軸承側8個瓦塊均呈現有不同程度的電腐蝕特征,推力盤的主推力側用手感覺其粗糙度比副推側差別很大;復測其推力間隙,設計要求范圍為0.35-0.48mm,之前安裝時其測量間隙值為0.40mm,本次測量為0.55mm。另外,在支撐軸承下瓦塊的邊緣、轉子軸頸處也都有較為明顯的電腐蝕特征。由此基本可以確定汽輪機軸位移持續變化是由于推力軸承出現了電腐蝕磨損,導致軸向間隙變大,轉子沿主推力方向移動。

            圖8 汽輪機拆解后照片

            軸電流腐蝕機理:凝汽式汽輪機中濕蒸汽所含微小水滴(水霧)與葉片摩擦、機組動靜部件受到磁化(如磁粉探傷作業、焊接、機加工等)、潤滑油分子摩擦起電、外界電壓輸入等均可能引起轉子電荷集聚,無論是磁化還是靜電,在高速旋轉機械中均可能產生電磁轉換,當機組接地系統導電能力不夠或機組接地碳刷接觸不良時,轉子電荷積聚就會出現累積效應,使得轉子與軸承之間電勢差越來越高,這種電勢差首先選擇在間隙較小處(如推力軸承、徑向軸承、聯軸節、氣封以及傳動齒輪等部位)釋放,軸電流擊穿瓦塊與推力盤之間的潤滑油膜,在推力盤表面與材質較軟的瓦塊巴氏合金表面不斷形成微小的電蝕凹坑,油膜破壞和凹坑形成又促進了瓦塊局部的機械磨損,這種磨損和電荷積聚一樣,具有漸進特征,瓦塊受損面上表現為明顯的分界線。這種放電與磨損在時間上也表現出一定的積累特性,當瓦塊受損面積達到一定規模時,推力軸承將難以承受機組固有的殘余軸向力,表現出軸位移上升、磨損加劇的現象,這種現象具有不可逆的特點。

            本次檢修,針對轉子帶電的問題,在軸端加裝了導電刷,機組試運行時再次測量軸電壓為0V,導電效果良好。為徹底去除轉子的軸電壓,待大修時需對轉子返廠做測磁、消磁處理。

            圖9 汽輪機加裝導電刷及軸電壓測量情況

            機組重新運行后,軸位移趨勢重新趨于平穩。

            圖10 檢修后汽輪機軸位移趨勢圖

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