一拖二機組增壓機軸瓦電腐蝕的原因分析

楊本武

摘?要：針對一拖二機組的軸位移發生改變的故障，分析故障的原因，同時提出了通過回顧檢修，從檢修改變查找故障發生的原因，提出解決措施。

關鍵詞：一拖二機組;軸位移;電腐蝕;碳環密封

1?機組發生的幾次軸位移改變

一拖二機組是空分裝置核心機組，由沈鼓設計制造。一拖二機組透平NKS63/90為凝氣式中壓透平，氮氣增壓機3BCL608為垂直剖分離心式壓縮機。空壓機DMCL1204+2MCL1203為兩缸水平剖分式離心壓縮機。空壓機輸送介質為濕空氣，正常工況轉速4405rpm，流量246700Nm?/h;增壓壓縮機為三段八級，輸送介質為純凈氮氣，正常工況轉速9168rpm，一段入口流量164407Nm?/h。

1.1?機組發生不明原因軸位移

在正常運行中，一拖二機組增壓機兩次發生軸位移上漲達到聯鎖值而停車的故障。通過對發生軸位移上漲原因進行分析，理清其發生的機理，有利于采取有效措施加以解決。

2017年7月，一拖二增壓機大修。此次大修是因為機組開車初期發生了喘振，損壞全部氣封，檢修更換了全套氣封，軸端密封，碳環密封中間部件碳環。機組檢修后開車，7～9月間，通過機組狀態監測系統，觀察到一拖二機組增壓機軸位移發生了緩慢上升，39天內由0.23mm上漲至0.70mm，同時主推瓦溫由63℃緩慢上漲至91℃，觀察其上升的斜率，在整個上升期間保持一致。

2018年1月20日，由于裝置發生波動，一拖二機組增壓機三段流量上漲，出口壓力下降，1月21日，機組增壓機軸位移呈逐步波動上升趨勢，通過調整轉速，進出口壓力，均不能減緩軸位移上漲趨勢，至1月28日軸位移達到0.71mm達到聯鎖值停車搶修。

1.2 檢修所見及故障原因分析

兩次因軸位移上漲造成停機搶修，給企業帶來了較大損失。檢修拆檢發現：徑向軸承、氣封等未出現異常磨損，增壓機主推力瓦瓦塊、止推盤有明顯磨損痕跡，推力瓦與推力盤磨損是軸位移上漲的直接原因。

為搞清楚推力瓦磨損的原因，技術人員對瓦塊的磨損情況作了仔細的檢查。通過檢查其特征，判定不是因為軸向力增大造成瓦面超溫磨損。軸向力大造成超溫磨損表現特征一般是升溫后表面積碳發暗發黑，或者快速搟瓦后形成一個光滑的發亮表面，磨損發生在整個瓦面或瓦面中央的高點。而這兩次瓦塊的磨損都發生在推力瓦塊的出油側，磨損瓦塊進油側基本完好，磨損部位銀白色、表面粗糙呈磨砂樣。通過用放大100倍照相觀察瓦面，表面存在密布的大小大致相同的坑洼，具有金屬放電產生燒蝕的明顯特征。對靜電導電電刷檢查，電刷的銅絲刷頭已經磨損，剩余磨損部分在放大鏡下觀察，銅絲頭具備放電的特征，頭部較光滑部分呈球頭狀。通過查找資料推斷，推力瓦塊和推力盤之間發生了放電，燒蝕推力瓦和推力盤。

技術人員同時查找了其它原因，通過分析進行了排除。

a）軸向力改變造成瓦塊磨損。7-9月間，工藝運行各參數與之前并無明顯變化;且主推力瓦溫沒有超過105℃，反映軸向力并無明顯增大;2018年1月，發生軸位移后，在軸位移上升過程中，工藝和設備分別調整了壓縮機各段間壓力、轉速、潤滑油壓力、潤滑油溫度等運行參數，均沒有效果，排除工藝運行參數改變造成的。

b）儀表探頭松動，或測量不準。通過檢查校準儀表探頭零位，無問題，固定螺栓無松動，排除儀表故障。

c）潤滑油機械雜志超標造成瓦塊磨損。如果因潤滑油的影響，徑向瓦也會發現磨損的痕跡，檢查徑向瓦無磨損，潤滑油機械雜質分析正常，排除潤滑油的影響。

2 發生靜電腐蝕原因

2.1可能產生靜電的幾種情況

發生靜電腐蝕發生在凝汽式機組較多，與凝汽式汽輪機組工作狀況有關。通過查找資料，可能產生靜電的還包括感應生電，介質輸送摩擦，潤滑油等有幾種情況。

a）蒸汽原因產生靜電。對于凝汽式汽輪機組，由于工況不佳，在最后幾級葉片做功時，有蒸汽凝結成小水珠，與高速旋轉的葉片摩擦生電。

b）轉子旋轉自發電帶電。由于轉子制造或檢修后，會產生一定的剩磁，如果在轉子外圍有能形成類似線圈繞組樣的結構，轉子旋轉時在轉子兩端形成電位差，兩次檢查轉子有較大的剩磁。

c）潤滑油流動可能產生靜電。這種可能存在，但在流動過程中與金屬管壁交換電荷而導入大地，所以不會造成電荷聚集。

d）增壓機PEEK材質氣封與高壓氮氣摩擦可能產生靜電。但PEEK材質在其它機組使用，產生靜電的情況并不明顯。

2.2靜電腐蝕如何發生

凝氣機組一般設置有導電電刷，通過設置導電電刷來釋放汽輪機運行中產生的電荷。除非有以下幾種情況造成導電失效，最終在轉動部件與靜止部件的薄弱環節發生放電。

a）電荷過多，導出不徹底。在運行過程中，我們對機組轉子產生的電勢進行了檢測，發現了運轉中的轉子存在檢出電壓和電流。

b）電刷磨損后，不及時更換，導電效果差。兩次檢修時檢查靜電導電電刷，導電刷頭都磨損嚴重，在放大鏡下能明顯看到銅絲放電痕跡。

c）導出通路不暢，接地線路斷路，油膜阻隔。增壓機與導電電刷之間有增速箱，轉動時齒輪間的油膜阻隔了增壓機的電荷通過電刷釋放，如果增壓機轉子帶電，不能完全地通過增速箱通過電刷放電。

d）增壓機轉子的剩余軸向力在正常穩定工況下僅600KG左右，轉子軸向穩定性不足，止推瓦油膜不穩定，是整個機組軸系中的薄弱點，剩余電荷可能通過推力盤與推力瓦之間放電。

2.3 采取初步措施消除靜電腐蝕

根據分析的結果，從兩方面來解決問題。即減少靜電或感應電的產生及采取有效措施導出電荷。

檢測轉子的剩磁并消磁。通過檢查發現轉子有較大的不均勻剩磁，兩端徑向軸承位處磁通量超標，最高達12Gs，高于機組轉子剩磁不超過5Gs標準，檢測后進行消磁。

加強電荷導出防止聚集。通過改造增加2個電刷，在透平處原有一個導電電刷部位對稱增加一個導電電刷，在增壓機聯軸器部位增加一個電刷直接接地，消除增速箱油膜對電荷傳導的阻隔，確保增壓機電荷能通過增加的電刷直接接入大地;降低電刷的接地電阻，由4Ω，降低到0.5Ω。

2.4?回顧檢修查找最終原因

檢修后機組投運，我們持續對軸位移、推力瓦溫監控，沒有發現軸位移變化和溫度變化，說明以上措施能夠減緩或阻止靜電腐蝕的發生。但是每月檢查電刷，電刷接觸頭銅絲基本上磨平，電刷壽命只有一個月，而電刷正常壽命應在3年左右，且電刷是進口件，備件難以準備且價格昂貴，需要進一步查清原因并解決。

通過設置的檢測箱，對幾組電刷進行檢測監控。通過監測發現新增的3#電刷檢測電壓比1#、2#高出一個數量級。由于有增速箱的油膜阻隔，技術人員分析認為增壓機發生電腐蝕的電荷來源主要應該是增壓機本身產生的，而不是來源于汽輪機。選取三天電刷電壓監測數據如下：

機組投運10年來一直正常，2017年7月檢修后第一次發生電腐蝕故障。查找原因需要對發生軸位移之前的檢修回顧，回顧得知：檢修更換了轉子氣封，執行的是以往的間隙標準，材質沒有更換;檢修前、后使用的潤滑油仍是同品牌同標號的透平油;檢修前后機組管系進出口設備沒有大的改變;有改變的地方在于增壓機碳環密封的更換，由于無成套進口的碳環密封，用國內某廠仿制的碳環裝在原密封架子內組合成組件使用，具體材質與原廠差別不明，結構由兩瓣式改為三瓣。

2018年11月，將仿制的碳環取出，更換了整套碳環密封。檢修后機組開車運行，繼續對軸位移、推力瓦溫監控。從2018年12月到2020年5月，電刷的磨損顯著變緩，電刷頭部銅絲未見放電痕跡，三只電刷測得電位與更換碳環密封之前相比，下降明顯，特別是3#電刷，下降了一個數量級，測得電壓平均在35mv左右。從這些數據來看，增壓機發生電腐蝕的主要原因與碳環密封密切相關。為分析碳環在增壓機發生電腐蝕中到底起了什么作用，技術人員對兩次更換下來的碳環做了外觀檢查，尺寸測量，導電性測試，主要有以下差別：

技術人員做出如下推斷：由于增壓機轉子存在剩磁，轉子旋轉時產生感應發電，在轉子兩端產生電勢差，同時與機殼之間也產生電勢差。正常情況下，由于碳環密封采用自補償方式，氣膜厚度一般只有0.01mm且并不穩定，轉子與碳環密封碳環處于一種半接觸狀態，由于碳環主要成分為石墨，具有良好的導電性，客觀上起到了對轉子接地的作用。而后來更換的不合格碳環，尺寸上存在超差，加上氣膜的厚度，轉子旋轉時與碳環沒有接觸處于完全隔離狀態，不能有效地將感應電導出，所以自發電產生的電荷最終只有在最薄弱處發生放電。

3?治理和防范措施

3.1 從源頭防止電荷的產生

減少感應生電。禁止檢修時用強磁體吸附轉子，避免轉子帶磁;每次檢修時對轉子進行剩磁檢查對超標部位進行消磁處理，及時消除轉子、軸承支架、聯軸器等剩磁。

減少摩擦生電。從工藝上提高蒸汽的品質，降低蒸汽二氧化硅、電導率等，減少汽輪機葉片上結垢和表冷器的結垢，提高表冷器真空度，適當提高中壓蒸汽溫度，減少在蒸汽冷凝水與葉片摩擦而產生靜電并形成聚集。

3.2 機組防靜電接地措施有效

弄清碳環密封在本機的作用和機理。在本機中，壓縮機介質為氮氣，增壓機兩端軸封壓力并不高，采用梳齒密封已足夠，而機組又增加碳環密封，顯然是考慮碳環的導電作用。所以碳環密封裝配時，應保證其和軸的接觸狀態。

定期維護電刷，做好電刷磨損報警，檢查刷毛是否與旋轉方向相同，避免機械磨損或接觸不良造成導電不充分;做好電荷監控，增加電荷快速檢測裝置，每日實時監測電荷數據。

3.3?提高檢修質量消除薄弱環節

進一步對轉子消磁，減少感應起電。從提高檢修質量上下功夫，不讓推力瓦與推力盤之間成為一個容易放電的薄弱環節，磨光推力盤表面呈鏡面狀，每塊止推瓦進油口刮油契等。

4?結論

蒸汽冷凝在末級葉輪摩擦產生靜電，通過做好電荷導出的防范措施即可。而對于機組的其它組件，應分析其靜電釋放通路，本例中由于增速箱的油膜阻隔，增壓機是不能通過汽輪機設置的電刷來放電的，只有通過碳環或增加電刷實現轉子接地，避免感應電造成轉子與機殼之間放電。

在機組的管理上做到：優化工藝操作，平穩操作避免工藝波動對機組造成損傷;改善潤滑條件，提高檢修精度，嚴格控制止推瓦塊厚度差，避免形成易放電的薄弱環節。

參考文獻

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