1 000 MW汽輪發電機軸承溫度高故障分析及處理

馬 旭，白廣臣，邱 楊

(1.珠海城市職業技術學院機電工程學院，廣東 珠海 519090；2.神華廣東國華粵電臺山發電有限公司，廣東 臺山 529228)

1 發電機概述

某廠汽輪發電機是由上海汽輪發電機有限公司制造生產的THDF 125/67型百萬千瓦級發電機，發電機轉子采用兩個滑動軸承支撐，兩個軸承分別坐落在兩側端蓋內部，端蓋與發電機機殼采用螺栓連接，機殼與基礎框架通過地腳螺栓拉緊，基礎框架與基礎澆筑成為一體。

發電機兩端軸承均為橢圓軸承，軸承體下半設計有兩個頂軸油孔，軸承頂軸油通過高壓軟管與頂軸油調整模塊相連；軸承潤滑油經過流量調整閥進入軸承，采用46號潤滑油潤滑冷卻；發電機汽側支撐軸承(以下簡稱6號軸承)和發電機勵側支撐軸承(以下簡稱7號軸承)結構及尺寸相同，軸承體表面鍍有烏金，如圖1所示。

圖1 7號軸承結構示意圖

機組投產以來，6號軸承和7號軸承溫度均比較穩定。2014年12月10日以來，7號軸承溫度多次出現爬升，給機組的安全穩定運行帶來了隱患。

2 7號軸承溫度異常情況

2014年12月10日，由于發電機勵磁失去機組跳閘，汽輪機轉子轉速降至510 r/min時啟動兩臺頂軸油泵，轉速降至120 r/min時開啟盤車進油電磁閥，進油電磁閥開啟后汽輪機轉子轉速迅速降至零。啟動第三臺頂軸油泵，開大盤車進油手動門后，盤車投入正常。

2014年12月10日機組重新啟動后，7號軸承溫度分別于12月11日、14日、18日、30日出現爬升，12月18日爬升幅度最大，達到9.8℃，導致機組再次跳閘。每次溫度爬升時間在30～40 s，與機組負荷無明顯關系，軸承溫度爬升到峰值后能逐步回落至正常值。

3 機組運行過程中出現軸承溫度異常升高的原因分析

機組運行過程中出現軸承溫度異常升高，應先檢查測溫元件是否損壞、溫度測量極性是否裝反、溫度測量補償方法或標準是否正確、溫度補償系統是否受到外界嚴重干擾等，確認軸承溫度異常的真實性[1]。

經檢查，溫度測量裝置及系統能正確反映出軸承的實際溫度。由于7號軸承位于發電機勵磁側和出線側，分析7號軸承溫度爬升的原因應從機械和電氣兩方面進行。

3.1 機械方面

機械方面引起橢圓形軸承溫度升高的原因有：滑動軸承質量不良、潤滑油影響、軸承負載過大、軸承球面自位調整能力差等[2]。

(1)軸承質量不良。軸承質量不良的原因有烏金澆鑄質量差，加工尺寸偏差大，烏金與轉子接觸不良等。軸承烏金澆鑄質量差可能造成軸承烏金局部脫胎，當軸承承受動載荷或軸承溫度變化較大時可能進一步加劇烏金脫胎。當烏金局部脫落后，脫落的烏金碎屑可能隨轉子進入轉子與軸承的油間隙中破壞油膜造成軸承溫度升高。軸承烏金加工尺寸偏差大可能造成軸承油間隙偏小，使進入軸承冷卻潤滑油流量偏小，導致軸承溫度升高。另外，烏金與轉子接觸不良，如烏金與轉子局部接觸，造成軸承局部負載過大，導致軸承溫度升高。

(2)潤滑油的影響。潤滑油油溫過高、供油量不足、回油不暢、油中含雜質、油質裂化、頂軸油模塊逆止門內漏造成油膜壓力不足等都可能使軸承溫度升高。

(3)軸承負載過大。轉子中心偏差、軸承受熱后揚度的變化、軸振過大、轉子承受向下的作用力等原因都會增大軸承的負載，導致軸承溫度升高。另外，上汽產1 000 MW機組設計時，整個軸系的零點位于汽輪機低壓II缸支撐軸承和6號軸承之間，7號軸承安裝揚度大于6號軸承即7號軸承負載高于6號軸承，也會使7號軸承運行溫度偏高。

(4)軸承球面自位能力。軸承間隙過大或過小、軸承緊力過大、軸承安裝偏斜、軸承與軸頸揚度不一致、軸承下部凹凸球面接觸不良或球面中有雜質等原因都將使軸承的自位能力變差，導致轉子與軸承局部接觸，使軸承局部載荷過大油膜變薄，軸承局部溫度升高，嚴重時可能導致軸承烏金被捻起。

3.2 電氣方面

電氣方面引起橢圓形軸承溫度升高的原因主要考慮為發電機轉子軸電壓過大擊穿軸承油膜或油膜形成不良、軸承絕緣低等原因產生軸電流，由于發熱量與電流的平方成正比，產生的熱量將使軸承溫度出現明顯爬升。

發電機軸電壓產生的原因有磁不對稱引起的軸電壓、靜電電荷引起的軸電壓、靜態勵磁系統引起的軸電壓、轉子線圈匝間短路引起的軸電壓等[3-4]。

4 檢查情況

4.1 運行中檢查

現場檢查潤滑油系統運行狀況正常，檢查油泵出口壓力，潤滑油溫，7號軸承潤滑油進油壓力，潤滑油黏度、顆粒度、水分，管道回油情況以及頂軸油逆止門內漏等情況，與軸承溫度升高前比較均未發生明顯變化，可以排除潤滑油導致軸承溫度升高的因素。

檢查7號軸承振動情況，對比溫度變化過程中7號軸承的相對振動、間隙電壓、軸心軌跡等參數均未發生明顯變化，可以排除軸承載荷變化引起的軸承溫度升高因素。

檢查發現7號軸承對地絕緣為零，可能存在發電機轉子對7號軸承放電使7號軸承溫度升高。

4.2 停機檢查

2014年12月18日，汽輪發電機7號軸承溫度達到107.5℃，超過跳閘值107℃，機組跳閘。經初步分析判斷，7號軸承烏金可能存在一定程度的損傷，需要將7號軸承翻出檢修或更換。機組跳閘后高壓內缸缸溫仍有588℃，不具備停運連續盤車翻出7號軸承的條件，由于正值年末面臨著嚴峻的發電生產任務，采取了如下措施。

(1)汽輪機組投連續盤車，當高壓內缸缸溫降至350℃以下時，采取干抽真空的方式進行降溫。

(2)當汽輪機組高壓內缸缸溫降至300℃及以下時，執行1 000 MW機組汽輪機投快冷方案對機組進行快冷，降溫速度控制在3～4℃/h。

(3)當汽輪機組高壓內缸的缸溫降到230℃，停止快冷，汽輪機本體疏水閥保持關閉狀態，進行悶缸。停運連續盤車，采取間斷盤車的方式進行現場檢修工作。檢修方式為:在高壓轉子兩端安裝百分表監視轉子偏心及彎曲情況，在手動盤車處轉子上做好標記，開始手動間斷盤車，每30 min盤動轉子180°；在7號軸承潤滑油進油法蘭處加裝堵板，停運潤滑油后每10 min記錄一次各軸承溫度，做好各軸承溫度監視工作。采取這些措施后，從機組跳閘到開展搶修比原計劃提前了2天。

7號軸承翻出后發現了兩方面問題：一方面7號軸承兩根頂軸油管多處破裂，見圖2；另一方面，7號軸承底部烏金被捻起，見圖3。

圖2 7號軸承頂軸油高軟管破裂

圖3 7號軸承烏金捻壓凸起

頂軸油管損壞的原因為頂軸油管設計壽命不足，按廠家設計應有5年以上的壽命，但汽輪機組投產3年多便出現7號軸承頂軸油管損壞破裂的情況。在2014年12月10日機組跳閘汽輪機墮走開啟盤車進油電磁閥后系統用油量增加，頂軸油母管壓力由16 MPa降至11.5 MPa，汽輪發電機各軸承轉子頂起高度出現不同程度下降，同時7號軸承頂軸油管破裂泄壓，7號軸承處轉子頂起高度不足，轉子與軸承下半烏金局部接觸，烏金被捻壓損傷。烏金被捻起后位于軸承與轉子的進油、出油間隙處，軸承進油、出油間隙變小，軸承潤滑油流量變小，導致軸承溫度升高。經過一段時間的運行，被捻起的烏金部分脫落，烏金碎屑進入軸承與轉子之間的油間隙，油膜被破壞，高速運行的轉子與軸承烏金局部接觸，軸承溫度短時快速升高。

5 處理措施

經檢查可以確定，7號軸承頂軸油管破裂，烏金被捻起使油間隙變小和烏金碎屑進入軸承油間隙是導致7號軸承溫度升高的原因之一。另外，18日停機后對7號軸承進行了更換，30日7號軸承溫度再次出現了4.7℃的爬升，分析發現7號軸承對地絕緣為零，發電機轉子對軸承放電可能是引起軸承溫度升高的另一原因。

針對這種情況，除了更換7號軸承外，又采取了在發電機勵側轉子上加裝軸接地測量裝置的方法進行處理。

5.1 7號軸承的更換處理過程

由于7號軸承烏金被捻起較多，軸承烏金修刮后軸承與轉子的頂部間隙必定超過標準值，同時可能出現軸承前后兩側頂部間隙相差較大的情況，影響軸承油膜的形成，從而可能再次導致軸承溫度的升高，因此采取了更換7號軸承的措施，具體如下。

(1)測量檢查新軸承橢圓度及各部件尺寸應符合制作廠提供圖紙標準要求；對新軸承烏金進行著色、超聲波檢驗，無脫胎現象。

(2)測量7號軸承更換前后油檔洼窩，偏差應盡量??；測量更換前后7號軸頸揚度作為參考。

(3)檢查新軸承凹凸球面接觸情況，接觸點分布均勻，接觸面占總面積的比例達到75%以上；用塞尺測量新軸承凹凸球面間隙，0.03 mm不入。

(4)檢查軸承烏金與轉子接觸情況，在軸承底部與轉子接觸的262 mm±10 mm弧長范圍內對軸承烏金進行修刮，要求接觸點分布均勻，接觸面占總面積的比例達到75%以上。

(5)軸承進油側和出油側修刮出合適的油囊[4]，修刮過渡表面應平整光滑，不許有明顯的溝痕，以降低運行中軸承溫度。

(6)更換軸承后測量新軸承與轉子的頂部間隙、兩側間隙等尺寸應符合制造廠標準。

(7)更換發電機兩側軸承的頂軸油高壓軟管，啟動兩臺頂軸油泵檢查接頭及高壓軟管應無泄漏。

5.2 發電機勵側轉子上加裝軸接地測量裝置

為防止7號軸承絕緣低產生軸電流引起軸承溫度升高,在勵側安裝測量電刷,測量電刷通過一條輔助電纜與勵側絕緣軸承座上的電位測量端子連接,端子引出線與濾波器連接,濾波器通過地線接地。

這種連接方式使得油膜被橋接，部件承受了軸電壓，油膜橋接將使原來的軸電壓減小或完全消失，并且能實現在線測量發電機的軸電壓，與勵側發電機轉子安裝RC軸接地模件類似[5]，起到了限制軸電流保護軸承的作用。

5.3 檢修后啟動

2015年3月9日，汽輪發電機組7號軸承檢修后再次啟動軸承溫度曲線如圖4所示。經過一個月的運行，7號軸承溫度比較穩定未出現明顯爬升現象，軸承溫度最高點位于測點1處不超過87.3℃，與修前相比有大幅度下降，取得了較好的效果，7號軸承溫度高問題得到了徹底治理。

圖4 7號軸承修后軸承溫度曲線

6 結語

本次發電機勵側軸承溫度異常升高的的分析和處理情況，暴露出設備制造廠家的軸承頂軸油高壓軟管設計壽命不足、容易出現老化破裂等情況。針對此情況，專業人員應合理安排軸承頂軸油高壓軟管的更換周期，并積極與制造廠溝通討論高壓軟管的替代方案。

發電機軸承溫度的異常升高原因復雜多樣，應從機械方面和電氣方面進行分析，機械方面引起軸承溫度異常升高原因往往是由于烏金磨損、捻壓引起，電氣方面應主要考慮軸電壓過高擊穿油膜或油膜形成不良、軸承絕緣低等產生軸電流引起軸承過熱的情況，同時還應結合檢修及運行情況進行綜合分析判斷，盡快查明原因采取對策降低軸承金屬溫度，保證汽輪發電機組的長周期安全穩定運行。