軸電流對大機(jī)組長周期安全運(yùn)行的影響及防治

孔 勇

（中國石油烏魯木齊石化公司檢維修中心，新疆烏魯木齊 830019）

1 概述及問題的提出

化肥廠一合成車間4111K2氮?dú)鈮嚎s機(jī)與化肥廠二尿素車間102J二氧化碳壓縮機(jī)是兩臺冷凝式蒸汽透平驅(qū)動離心式壓縮機(jī)組，在2019年3月4111K2機(jī)組由于低壓缸定期中修，檢查軸瓦，檢修中發(fā)現(xiàn)推力瓦塊出現(xiàn)大小不規(guī)則凹坑，嚴(yán)重的瓦塊巴氏合金與瓦塊金屬基剝離，推力盤外圓面也有似金屬噴砂后痕跡。

相似情況在2012年7月102J檢修中發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)高、低壓缸之間增速及軸系4處及軸瓦出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象和問題。上述兩臺機(jī)組軸系和軸瓦出現(xiàn)的現(xiàn)象對于機(jī)組的安全運(yùn)行是極大的隱患，而對此現(xiàn)象的消除和故障徹底解決，現(xiàn)象產(chǎn)生的原因分析尤為重要。

2 原因的分析2.1 定性分析

從檢修中更換下的瓦塊損壞的現(xiàn)象和軸系表現(xiàn)的情況，與酸腐蝕和化學(xué)腐蝕造成情況非常接近，但是實(shí)際上故障部位工作中接觸的是潤滑油，不存在酸腐蝕和化學(xué)腐蝕的條件。而且損壞部位瓦塊上的凹坑表現(xiàn)出了以下明顯的特征：①凹坑底部成圓形，外表光澤；②凹坑出現(xiàn)在瓦塊與軸系接觸部位；③軸與軸承接觸部位表面像噴過沙一樣。成銀灰色，失去金屬表面的光澤。見表1。通過查閱資料，確定損傷部位表現(xiàn)的特征與電火花放電造成的凹坑特征吻合，推力瓦塊出現(xiàn)的損傷是多次電火花放電造成凹坑的重疊，所以排除了酸腐蝕與化學(xué)腐蝕的可能，確定故障由軸電流放電形成電火花造成。

表1 兩種凹坑特征對比表

2.2 軸電流的形成原因和類型

軸電流的形成除了外部對轉(zhuǎn)子施加一定的電位之外，大多數(shù)是由于以下幾種因素感應(yīng)而產(chǎn)生：

（1）軸的磁化效應(yīng)。轉(zhuǎn)子由于焊接、摩擦、碰撞以及電渦流裝置均可能使設(shè)備帶有磁性，并建立起磁場旋轉(zhuǎn)磁場切割導(dǎo)體會在這些零件內(nèi)感應(yīng)起一定電位。當(dāng)電位升高到足以擊穿油膜時(shí)，就形成電流回路。這種電流回路可能穿過整個(gè)轉(zhuǎn)子，也可能僅在軸承中或浮環(huán)密封中形成局部短路電流，軸承或浮環(huán)中的短路電流又會產(chǎn)生新的磁場，磁化轉(zhuǎn)軸或其他零件。因此，這種磁電相互轉(zhuǎn)換，會在機(jī)組內(nèi)部形成很強(qiáng)的磁場，出現(xiàn)帶電現(xiàn)象，最終形成對地電位；

（2）對于蒸汽透平–壓縮機(jī)組，由于水蒸氣粒子碰撞與摩擦造成靜電效應(yīng)。高溫蒸汽溫度降低時(shí)會發(fā)生正負(fù)電荷分離，隨著蒸汽沖擊葉片，電荷就積聚到轉(zhuǎn)軸上，水蒸氣粒子對轉(zhuǎn)子葉片的碰撞和摩擦將使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生靜電效應(yīng)而帶電，形成軸電位。這種情況在冷凝式蒸汽透平由于末幾級中濕含量很高表現(xiàn)得尤為突出，本文概述中問題設(shè)備驅(qū)動透平形式為冷凝式，而在背壓式蒸汽透平中較少發(fā)生[2]；

（3）離心壓縮機(jī)和蒸汽透平轉(zhuǎn)子工作時(shí)也可能因潤滑油引起帶電，當(dāng)潤滑油通過過濾網(wǎng)時(shí)，由于濾網(wǎng)的通路很小， 油分子和濾網(wǎng)的摩擦?xí)?dǎo)致分子帶電，由于潤滑油基本上是非導(dǎo)電介質(zhì)，在通過相當(dāng)長時(shí)間的接地管路之后，油分子仍能保持帶電，并把電荷轉(zhuǎn)移到被潤滑的軸頸表面和止推盤表面而產(chǎn)生軸電位。

2.3 軸電流對機(jī)組的危害

機(jī)組在運(yùn)行過程中動靜部件通過軸頸與軸承處的油膜隔開通過油膜與靜止部分絕緣，即整個(gè)轉(zhuǎn)子由于第二部分所述三種電位的存在，使得轉(zhuǎn)子存在對地電壓，當(dāng)對地電壓升高的某一數(shù)值，就會在電阻最小的區(qū)域擊穿，從而發(fā)生電火花放電，而在我們使用的機(jī)組中這些區(qū)域就是軸承的承載面、齒式聯(lián)軸器的工作面、浮環(huán)密封面。直接造成以下后果：①徑向軸承巴氏合金凹坑，軸頸光潔度下降，使得承載潤滑油膜不穩(wěn)定，誘發(fā)高速運(yùn)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生油膜渦動使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得油膜電阻下降，進(jìn)一步加劇了電火花放電，最終使軸承失效，轉(zhuǎn)子受損。②潤滑的金屬微粒進(jìn)入潤滑油，污染潤滑油，使得潤滑油膜電阻下降，加速電火花侵蝕的速度。③浮環(huán)軸封的損壞，造成介質(zhì)泄漏事故。④止推軸承的電火花損傷主要是由于油膜過薄引起，而推力軸承損壞后將造成重大的設(shè)備事故。

3 防治措施

通過查找資料，確定引起軸承電流損傷的電壓在20V以上，典型的軸承損傷電壓在30~100V，所以通過限制電壓升高，控制電壓在1V以下，就可以消除軸電流帶來的故障，其主要方法有以下幾種：①使用接地裝置，目前我廠普遍使用碳刷、金屬滑靴等裝置導(dǎo)通轉(zhuǎn)子與大地，消除對地電壓，這種措施簡單是普遍采用的方法；②采用電離空氣或高導(dǎo)電性潤滑油；③使機(jī)器零件絕緣，但措施實(shí)施困難大，實(shí)際應(yīng)用少；④對于蒸汽透平產(chǎn)生靜電，控制蒸汽的品質(zhì)也是一直有效方法；⑤對于運(yùn)轉(zhuǎn)過程中已經(jīng)發(fā)生軸電流侵蝕的機(jī)組，改變油膜厚度的方法（改變有的黏度、供應(yīng)量），實(shí)踐證明有效。⑥消除轉(zhuǎn)子磁性，電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)檢修期間測量軸是否具有磁性，從而確定軸電流是否是該因素引起，檢修時(shí)更換潤滑油等措施都可以有效地防治和降低軸電流過高的風(fēng)險(xiǎn)。

4 我廠故障設(shè)備采取的防治措施及實(shí)際情況

我廠二尿素102J二氧化碳壓縮機(jī)組防治措施是采用靜電接地刷裝置，但在檢修中拆卸下的電刷情況如圖1，從圖1可以看電刷已經(jīng)基本失效，檢修時(shí)更換靜電接地刷如下圖2。而一合成車間4111K2機(jī)組接地碳刷在檢修檢查電纜接點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)接點(diǎn)松動。兩種情況出現(xiàn)就使得接地裝置起不到作用，最終使得電位升高到足以擊穿油膜電阻，發(fā)生電火花放電。這些問題的出現(xiàn)可以完全而且有力的證明軸承、軸故障是由于軸電流引起電火花侵蝕造成。

圖1 損壞的靜電接地刷

圖2 更換的修復(fù)靜電接地刷

5 結(jié)束語

通過觀察故障表征，分析、總結(jié)了故障產(chǎn)生的機(jī)理，確認(rèn)造成故障的直接原因?yàn)榻拥貍浼母鼡Q不及時(shí)，檢修時(shí)對細(xì)節(jié)檢查不到位，造成機(jī)組零部件的損傷，如果繼續(xù)發(fā)展可能造成嚴(yán)重的設(shè)備事故，而損傷備件的價(jià)格與接地裝置價(jià)格比是非常大的，所以不管是從設(shè)備的安全長周期運(yùn)行考慮，還是從經(jīng)濟(jì)效益及生產(chǎn)成本等諸多方面考慮，定期定時(shí)更換接地裝置非常必要的，也是機(jī)組檢修時(shí)的檢修重點(diǎn)。