汽輪機(jī)滑動(dòng)軸承低速燒瓦原因分析

王輝

(廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 潮州 515723)

可傾瓦軸承也稱密切爾式徑向軸承，軸瓦可在支承點(diǎn)上自由傾斜。在油膜動(dòng)壓作用下，每個(gè)軸瓦均可自由調(diào)整位置，以適應(yīng)轉(zhuǎn)速、載荷等動(dòng)態(tài)條件的變化。每塊軸瓦的油膜作用力均通過軸頸中心，因此，其穩(wěn)定性較好[1]，能有效避免油膜自激振蕩和間隙振蕩[2]，可傾軸瓦的摩擦損失較小，但制造工藝復(fù)雜，價(jià)格較昂貴。

在火力發(fā)電廠中，可傾瓦軸承多用于高中壓轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)，如引進(jìn)的東芝和日立1 000 MW機(jī)組1#～4#高中壓轉(zhuǎn)子支承均采用可傾瓦軸承。在國產(chǎn)300，600 MW機(jī)組中應(yīng)用也較多，因低壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量較1 000 MW機(jī)組較小，在整套支承系統(tǒng)中全部采用可傾瓦軸承，但軸瓦數(shù)量不同[3]。

在1 000 MW機(jī)組中可傾瓦軸承多次發(fā)生低速燒瓦事故，現(xiàn)針對故障原因進(jìn)行分析。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.1 汽輪機(jī)支承系統(tǒng)

如圖1所示,汽輪機(jī)采用8套支承軸承，發(fā)電機(jī)采用2套支承軸承，靜態(tài)勵(lì)磁，整個(gè)軸系由11套徑向軸承支承。1#軸承位于前軸承座，2#，3#軸承位于中軸承座，4#軸承位于3#軸承座內(nèi)。1#，2#軸承支承高壓缸轉(zhuǎn)子，3#，4#軸承支承中壓缸轉(zhuǎn)子。5#，6#，7#，8#軸承分別位于低壓缸A和低壓缸B之間及兩端的軸承座內(nèi)，用于支承低壓缸A和B的轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由2套端蓋軸承支承。推力軸承位于中軸承座內(nèi)，與中壓缸轉(zhuǎn)子前部的推力盤匹配，承擔(dān)汽輪機(jī)的軸向推力。

圖1 汽輪機(jī)支承系統(tǒng)示意圖

1.2 軸承結(jié)構(gòu)

1#～4#軸承采用水平、上下、中分面、雙向可傾瓦軸承，其間用螺栓和定位銷連接。軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，軸承下半部分照片如圖3所示 。

圖2 軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軸承下半部分照片

可傾瓦軸承由6塊(上、下半軸承各3塊，均勻分布)弧形軸瓦組成，弧形軸瓦上襯有巴氏合金。上半軸承的3個(gè)軸瓦設(shè)有調(diào)整塊，用于調(diào)整可傾軸瓦與轉(zhuǎn)子軸頸間的間隙，轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中的運(yùn)行穩(wěn)定性很大程度上與此間隙值有關(guān)[4]。徑向間隙設(shè)計(jì)為軸承孔徑的0.13%～0.15%，最大值為孔徑的0.2%，若超過0.2%，則需要更換可傾軸瓦。軸承上半部軸瓦開有油槽，下半部軸瓦上設(shè)有熱電偶，以測量軸瓦溫度，靠近水平中分面處的兩側(cè)裝有銷子，以防止軸承體轉(zhuǎn)動(dòng)。1#軸承設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 1#軸承設(shè)計(jì)參數(shù)

2 故障現(xiàn)象

2018年2月8日，機(jī)組正常停機(jī)，轉(zhuǎn)子惰走至92 r/min時(shí)，1#軸承瓦溫(測溫位置如圖2所示)升高，最大值為124 ℃(表2)，判斷軸承已磨損，故揭瓦檢修。

表2 故障時(shí)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

1#軸承解體后發(fā)現(xiàn)底部軸瓦有磨損痕跡，烏金經(jīng)過高溫后有部分脫落(圖4)。

圖4 軸瓦損傷照片

3 故障原因

3.1 安裝原因

當(dāng)發(fā)生低速燒瓦后要及時(shí)解體檢查軸瓦，若磨損量較大，超過頂隙要求，必須更換磨損軸承，僅通過調(diào)整上軸瓦無法徹底解決問題。若磨損不嚴(yán)重，烏金面各項(xiàng)檢查合格且無備件更換時(shí)，可將下軸瓦烏金進(jìn)油邊重新按圖紙倒角修復(fù)，保證轉(zhuǎn)子與軸承的偏心率，從而保證軸瓦進(jìn)油通道暢通。

1#軸承于2016年5月經(jīng)過1次檢修，軸承頂部間隙略微超標(biāo)，間隙一般通過壓鋁絲方法進(jìn)行測量，鋁絲所放位置與測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性密切相關(guān)，該方法誤差范圍較大。

通過查看檢修記錄發(fā)現(xiàn)，軸瓦回裝時(shí)頂隙為0.60 mm，解體時(shí)頂隙為0.64 mm，比設(shè)計(jì)值略大。因機(jī)組之前運(yùn)行較穩(wěn)定，軸承溫度最高80 ℃，振動(dòng)也較穩(wěn)定，因此，經(jīng)過技術(shù)人員分析確定測量存在誤差，決定不做調(diào)整。

軸承頂隙偏大是引起軸承振動(dòng)，影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的原因之一，但此故障常在低轉(zhuǎn)速下發(fā)生，與軸承工況不符。因此，可排除安裝原因造成軸瓦燒損[5]。

3.2 供油中斷

軸承供油中斷是引起軸承燒瓦的常見原因，供油系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)會造成軸瓦冷卻油量減小，不足以帶走軸承產(chǎn)生的熱量，無法保證油膜的形成，從而造成軸瓦干磨而燒損。

通過對本次停機(jī)時(shí)參數(shù)進(jìn)行分析，停機(jī)過程中潤滑油無中斷，油壓穩(wěn)定無波動(dòng)，且揭瓦檢查發(fā)現(xiàn)油路暢通。因此，可排除供油中斷造成燒瓦。

3.3 軸承設(shè)計(jì)加工

軸承設(shè)計(jì)選用了產(chǎn)品庫中的成熟產(chǎn)品，但說明書中給定的設(shè)計(jì)比壓為1.37 MPa，滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)比壓為

P=F/(dB)，

式中：F為軸承載荷, N；d為軸承內(nèi)徑,mm；B為軸承寬度,mm。

由表1中1#軸承設(shè)計(jì)參數(shù)可計(jì)算出軸瓦實(shí)際設(shè)計(jì)比壓約為2.4 MPa，大于說明書給定的設(shè)計(jì)比壓，但也在標(biāo)準(zhǔn)范圍(1～3 MPa)內(nèi)[6]8，故設(shè)計(jì)參數(shù)符合可傾瓦軸承設(shè)計(jì)要求。

軸承加工時(shí)嚴(yán)格按照圖紙尺寸加工，經(jīng)核驗(yàn)各尺寸符合圖紙要求。因此，可排除軸承設(shè)計(jì)加工原因造成燒瓦。

3.4 軸瓦磨損

軸瓦磨損[6]后偏心率減小，會導(dǎo)致軸瓦無法形成動(dòng)壓油膜。高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子與軸瓦之間會形成一層油膜，轉(zhuǎn)子浮向一側(cè)，形成穩(wěn)定的進(jìn)油楔，轉(zhuǎn)子與軸瓦摩擦產(chǎn)生的熱量由潤滑油帶走[7]；低轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子因油楔消失而回歸軸瓦中心，穩(wěn)定的油膜漸漸被破壞，產(chǎn)生的熱量也隨之減少，此時(shí)，僅有少量潤滑油通過軸瓦進(jìn)油邊進(jìn)入軸瓦底部。

在機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)惰走以及盤車狀態(tài)下，因雜質(zhì)、潤滑不良等原因均會導(dǎo)致軸瓦發(fā)生磨損。低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子因摩擦力作用偏向軸瓦進(jìn)油邊(逆轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn))，此時(shí)軸瓦不足以建立必要的油楔，軸承處于缺油或邊界潤滑條件下[8]；高轉(zhuǎn)速下形成穩(wěn)定油楔時(shí)，轉(zhuǎn)子偏向軸瓦的出油邊，但此時(shí)油膜穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子與軸瓦被油膜分離，潤滑良好，軸瓦幾乎不存在磨損。

轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，底部軸瓦的進(jìn)油邊間隙僅有0.05 mm。1#軸承軸瓦與轉(zhuǎn)子的配合示意圖如圖5所示。

圖5 1#軸承軸瓦與轉(zhuǎn)子配合示意圖

通過分析可知，機(jī)組在經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行盤車或啟停機(jī)惰走時(shí)，軸瓦存在一定的磨損，檢修時(shí)可通過頂隙確認(rèn)軸瓦的磨損量。當(dāng)磨損量達(dá)到一定程度時(shí)，軸瓦進(jìn)油邊間隙消失，由Xcos28°=0.05 mm(軸瓦底部與進(jìn)油邊夾角為28°)可求得磨損量X=0.056 mm。

此時(shí)，轉(zhuǎn)子半徑與最底部的軸瓦半徑相等，偏心率減小至零，即轉(zhuǎn)子與軸瓦完全貼合，軸瓦進(jìn)油邊出現(xiàn)銳邊或棱角，低速時(shí)可切斷軸瓦進(jìn)油，使油膜不能順利進(jìn)入摩擦表面，轉(zhuǎn)子與軸瓦形成干摩擦，溫度升高導(dǎo)致軸瓦烏金面熔化燒損。

高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于可傾瓦具有一定的擺動(dòng)角，仍可形成穩(wěn)定的油膜，也是正常運(yùn)行時(shí)軸瓦溫度正常的主要原因。

3.5 小結(jié)

通過上述分析并結(jié)合軸瓦檢修實(shí)際情況，可確定造成低速燒瓦的原因?yàn)椋狠S瓦在長時(shí)間使用過程中發(fā)生了磨損，使偏心率減小，導(dǎo)致低速時(shí)無法有效形成油膜，在缺油或邊界潤滑工作時(shí)發(fā)生軸瓦損壞。

4 解決方案

4.1 檢修時(shí)控制措施

機(jī)組檢修時(shí)，對軸瓦頂隙、進(jìn)油邊等進(jìn)行檢查，當(dāng)頂隙超標(biāo)或達(dá)到上限時(shí)應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)或更換軸承。對油擋洼窩、間隙等進(jìn)行詳細(xì)測量記錄，在機(jī)組無軸承檢查時(shí)間時(shí)，可通過此數(shù)據(jù)判斷軸瓦磨損量；另外，可制作或定制專用橋規(guī)，以特定部位做為測量點(diǎn)，記錄轉(zhuǎn)子位置，間接判斷軸瓦磨損量，也可做為更換軸瓦時(shí)標(biāo)高依據(jù)。

在檢修時(shí)對軸瓦進(jìn)行技術(shù)改造，在承重軸瓦上增加頂軸油，通過頂軸油對軸瓦進(jìn)行強(qiáng)制供油潤滑。

4.2 運(yùn)行中控制措施

啟停機(jī)時(shí)可適當(dāng)降低油溫，增大潤滑油黏度，提高油膜建立條件[9]；機(jī)組停機(jī)時(shí)可破壞真空停機(jī)，縮短轉(zhuǎn)子低速惰走時(shí)間；運(yùn)行時(shí)密切監(jiān)視瓦溫測點(diǎn)，正常高速運(yùn)行時(shí)，出油邊溫度比最底部溫度高，當(dāng)軸瓦磨損到一定程度后，轉(zhuǎn)子半徑與軸瓦半徑接近時(shí)，兩測點(diǎn)溫度會逐漸接近，此時(shí)可判斷軸瓦烏金磨損達(dá)到極限。有停機(jī)檢修機(jī)會時(shí)可解體檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修復(fù)或更換軸承。

加強(qiáng)濾油，保證油脂顆粒度合格，盡量減少轉(zhuǎn)子低速運(yùn)行時(shí)間。

4.3 小結(jié)

修復(fù)后機(jī)組空載下運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。由表可知，軸承運(yùn)行狀況良好，各轉(zhuǎn)速下振動(dòng)、溫度均較好。機(jī)組滿載下，軸承最高溫度為95.8 ℃，滿足最高溫度不超過107 ℃的要求。

表3 修復(fù)后機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

針對某1 000 MW機(jī)組1#可傾瓦軸承停機(jī)時(shí)低速燒瓦問題，對軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軸承磨損機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)造成低速燒瓦的原因是承重軸瓦經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行磨損后，軸瓦半徑與軸徑半徑接近(偏心率為零)，且進(jìn)油邊形成銳角，低速時(shí)潤滑油無法進(jìn)入軸瓦而形成干摩擦，導(dǎo)致軸瓦低速燒損。在檢修時(shí)應(yīng)密切關(guān)注可傾瓦軸承的參數(shù)變化情況，頂隙變大時(shí)不能僅調(diào)整上軸瓦，而應(yīng)及時(shí)核對單個(gè)軸瓦尺寸，修復(fù)軸瓦及進(jìn)油角，保證轉(zhuǎn)子與軸瓦的偏心率。