壓縮機組軸承靜電腐蝕及應對策略

陳忠偉

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

海洋石油富島股份有限公司52×104t/a尿素裝置二氧化碳壓縮機組由意大利新比隆公司制造，壓縮機驅動機為蒸汽輪機，型號ENK40/45，屬凝汽式蒸汽輪機，壓縮機高、低壓缸型號分別為2BCL306A、2MCL527，增速箱型號為TRL25。蒸汽輪機進汽壓力為5 MPa，進汽溫度為380℃，排汽壓力為0.012 MPa,排汽溫度約為50℃,排汽量為37 900 kg/h。低壓缸正常轉速為8 402 r/min，高壓缸正常轉速為12 165 r/min，正常軸功率為7 460 kW。蒸汽輪機及壓縮機的徑向軸承均為可傾瓦軸承，增速箱徑向軸承均為四油楔圓瓦軸承。

1 壓縮機組狀態監測異常

自2019-07-29起，壓縮機高壓缸驅動側和非驅動側軸承振幅從開始約12μm和17 μm分別上升至25 μm和 24μm，驅動側軸承溫度從77℃緩慢下降至68℃，而非驅動側軸承溫度基本保持穩定，見圖1。在此期間，增速箱高速軸非驅動側軸承溫度上漲了大約3℃，2019-08-16開始快速上漲11℃，對應的軸承振幅則從19 μm下降至17 μm，而驅幅側軸承溫度基本保持在97℃，振幅基本保持在6 μm，見圖2。2019-08-19更換蒸汽輪機側電刷后，高壓缸和增速箱高速軸各軸承的溫度、振幅趨于穩定。期間機組其它軸承溫度、振幅基本保持穩定。

圖1 壓縮機高壓缸軸承振幅和溫度狀態監測記錄

圖2 增速箱高速軸軸承振幅和溫度狀態監測記錄

2 壓縮機拆機檢查及分析

2.1 故障現象

根據監測到的壓縮機組溫度和振動變化異常情況，拆機查看相應軸承和增速箱，發現不同程度的磨損，見圖3～圖6。

圖3 增速箱軸承磨損情況

圖4 增速箱軸頸磨損情況

圖5 壓縮機軸承磨損情況

圖6 壓縮機軸頸磨損情況

2.2 現象分析

根據磨損特征和監測數據判斷，這種磨損本質上屬于靜電腐蝕。壓縮機組靜電的來源有2個途徑，①摩擦和碰撞。凝汽式蒸汽輪機排汽溫度一般在50～70℃，蒸汽冷凝會在汽缸低壓段產生大量小液滴，高速旋轉的葉片與小液滴摩擦和碰撞時會產生靜電效應而帶電［1］。這種方式產生的靜電為汽輪機轉子靜電的主要來源。②退磁不達標。在蒸汽輪機生產、加工、制造、運行及維護過程中，定子、轉子及其部件會帶磁［2］。一般汽輪機轉子在加工過程中或出廠前會進行退磁處理。退磁處理達標的轉子，其任何部位的磁通量密度不會超過3×10-4T［3］。退磁不徹底情況下，轉子在旋轉運行中會因磁力線旋轉切割導體而產生感應電位。退磁不徹底是非正常狀態，汽輪機轉子因此而產生靜電的可能性較小。

靜電荷不及時消除就會越積越多。汽輪機轉子靜電荷的消除是依靠電刷完成的。壓縮機常用電刷有2種類型。①石墨型電刷。石墨具有良好導電性能和自潤滑性能，用石墨制成的電刷俗稱碳刷，安裝于汽輪殼體外干燥和無油的部位。碳刷接線端有預壓縮的彈簧，其彈簧力作用可使碳刷保持與軸的接觸狀態。日本三菱公司、日本日立公司及德國西門子公司生產的汽輪機常用這種電刷，電刷的磨損量一般沒有標示，無法在線確認電刷的磨損量，在線更換也比較困難。為了保證軸電流釋放的可靠性，一般會成對使用該類電刷。②金屬型電刷。金屬型電刷一般用具有良好導電性能的銅絲作為導電載體，用在有潤滑油飛濺的環境中，依靠電刷及電刷臂的重力保持銅絲與軸接觸，銅絲與軸摩擦產生的熱量由飛濺的潤滑油帶走。意大利新比隆公司生產的汽輪機常用這種電刷，電刷的磨損量在接線盒部位有指示標尺，可以確認電刷的磨損狀態，可以在線更換，所以一般單支使用。

正常情況下，電刷通過接地線將汽輪機轉子靜電荷導入大地，起到保護轉子的作用。當電刷失效或接地線斷開時，靜電荷將從轉子組導通到汽輪機轉軸并在軸上不斷聚積，使轉子組和轉軸電壓越來越高。當軸電壓足以擊穿軸瓦與軸頸間的油膜時，產生火花放電［4］。放電時電子流轟擊軸瓦,正離子流轟擊軸頸,動能轉化為熱能,使軸瓦與軸頸上放電處金屬微粒迅速熔化甚至汽化。這一過程極為短促，具有爆炸性質，爆炸力把熔化和汽化了的金屬微粒拋離放電表面，金屬微粒被潤滑油迅速冷卻、凝固，繼而從間隙中沖走［5］。每次火花放電后，在放電表面留下一個很微小的小凹坑，隨著放電的不斷進行，無數的小凹坑將出現在放電表面上。

靜電腐蝕的嚴重程度受壓縮機組各軸承的結構、形狀、尺寸、所受載荷以及潤滑油溫度、壓力等因素影響。這些因素的綜合影響可以用軸瓦和軸頸間形成的油膜厚度差別表征。油膜越薄，阻抗越小，油膜越容易被擊穿而產生火花放電［6］。軸頸材料的熔點遠比軸瓦上的巴氏合金熔點高，每次火花放電軸頸所損失的金屬量要比巴氏合金的損失少，故軸頸和軸瓦相比較，軸瓦磨損會更快，表面凹坑會更大。此分析與圖3～圖6上看到的磨損現象是一致的。

軸承發生靜電腐蝕后，軸承油膜成形不良，軸承和軸瓦的穩定性會因此變差，主要表現為軸承振幅、進油量及溫度的變化。對于不同結構形式的軸承，存在一定的差別。其中，可傾瓦軸承在振幅和進油量方面變化明顯，而圓瓦軸承比較明顯的異常則是溫度變化。這與壓縮機狀態監測系統監測到的異常情況也是一致的。

3 靜電腐蝕故障診斷方法

3.1 測量電刷電流

當機組軸承振動或溫度異常上漲時，可用高精度小量程的電流表對電刷接地線進行電流測量，一般認為電刷電流有效值小于0.2 A是安全的［7］。如果測量結果為0，說明電刷失效或接地線故障，可檢查電刷的磨損情況和接地線的通流情況。

3.2 轉子狀態監測

如果壓縮機組安裝有狀態監測系統，可通過轉子軸心軌跡圖判斷機組是否發生靜電腐蝕。軸承振動傳感器一般采用的是非接觸式電渦流傳感器，電渦流傳感器有通有高頻電流的線圈，當金屬導體置于線圈所產生的交變磁場中時，由于電磁感應的作用，金屬導體內將產生電渦流，電渦流將產生與交變磁場相反的渦流磁場來阻礙原交變磁場的變化，從而使線圈的阻抗、電感等發生變化［8］。軸承油膜被擊穿時會在轉子上產生軸電流，軸電流所產生的高頻磁場對電渦流傳感器探頭的高頻磁場產生影響，使得探頭線圈的高頻電流發生改變，引起軸承振動測量值發生波動［9］，此種波動在轉子軸心軌跡圖和時基圖上表現為明顯尖角 （圖7和圖8），因此可以根據軸承軸心軌跡圖判斷哪個軸承發生了靜電腐蝕。

圖7 壓縮機組軸心軌跡示圖

圖8 壓縮機組軸心時基圖

4 預防靜電腐蝕策略

4.1 狀態圖監測

根據壓縮機組在線狀態監測系統圖形異常，可及早發現靜電腐蝕，避免不必要的損失。方法是，經常查看轉子軸心軌跡圖和時基圖，留意圖形輪廓，可將圖形出現長尖角作為確定壓縮機組發生靜電腐蝕的特征判據。這種方法可以在軸承因靜電腐蝕而出現溫度和振幅波動之前發現靜電腐蝕。

4.2 定期專項檢查

（1）檢查電流。用小量程電流表測量電刷的接地電流，如有穩定的電流顯示，說明電刷處于良好的工作狀態；如無電流顯示，則需要檢查電刷是否與軸承有效接觸，接地線是否接地暢通。

（2）檢查電刷磨損量。檢查的對象主要是金屬型電刷，此類電刷接線盒內一般有磨損量指示標尺，當指針指向標尺上更換字樣標注的位置時，應及時更換電刷。

（3）檢查接地線。接地線應盡可能短，不能繞圈，以免產生感應電動勢［10］。重點檢查接地線的接頭，確保無松動，絕緣良好，整條接地線與機組殼體間不會形成電流回路。

4.3 更換電刷

對于石墨型電刷，由于維護空間狹小，電刷在線更換風險較大，一般不進行在線更換。當機組有停車機會時應對電刷本體進行檢查，主要檢查電刷的磨損量及磨損補償動作靈活性，磨損量較大和補償量較小的電刷應更換。對金屬型電刷，可在線對電刷進行更換。如銅絲有傾斜角應注意電刷安裝方向，要確保銅絲傾斜方向與軸旋轉方向一致［11］。

電刷更換后要用頂起螺釘檢查電刷臂的升降動作,并將頂起螺釘退到合適位置，確保電刷磨損后的補償行程。

5 結語

凝汽式汽輪機驅動的壓縮機組的滑動軸承發生靜電腐蝕是機組運行過程中常見的故障，故障的現象主要表現為軸承溫度的上升和振動波動的增大。靜電腐蝕對機組軸承和轉子軸頸損害較大，危及到機組安全穩定運行，在機組運行中要注意防范，主要是加強軸承運行參數和電刷工作狀態的監控，及時發現和處理靜電腐蝕故障，有效減少靜電腐蝕的危害。