某320 MW汽輪機組軸瓦溫高原因分析及治理

陳志峰

（深圳媽灣電力有限公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

軸承是汽輪機最重要的部件之一，如果軸承發生故障就會導致汽輪機惰走時間縮短甚至停機，不利于機組的安全經濟運行。因此，加強汽輪機軸瓦溫高原因分析及治理研究具有十分重要的意義。軸瓦溫度高是機組運行中比較常見的缺陷，國內很多學者對此進行了研究。如錢濤[1]通過清潔汽輪機中的雜物、對軸瓦進行調整、提高軸瓦的質量、降低運行阻力等措施降低瓦溫；張世東等[2]通過降低軸承標高，使機組運行達到優秀標準；閆修峰[3]通過優化汽輪機本體檢修工藝來確保軸瓦溫度達標。這些研究分別針對引起瓦溫偏高的不同原因采取了相應的治理或處理措施，為汽輪機軸瓦溫高治理提供了經驗借鑒。該文針對某電廠2 號機瓦溫高的原因及治理進行了如下分析和研究。

1 影響軸瓦溫度的因素

由于汽輪機軸瓦是在高轉速、大載荷的工況下運轉，因此必須確保軸瓦運轉的安全性以及較小的摩擦力。為了符合軸瓦運轉要求，汽輪機通常采用滑動軸瓦向軸承內連續不斷地供給壓力、溫度符合軸瓦運轉要求的潤滑油[4]。同時，轉子的軸頸一般是支撐在軸瓦上的，且軸瓦具有質軟、熔點低的特點，這樣就能夠在高速旋轉下形成油膜，產生液體摩擦，進而減少摩擦力。而由摩擦力產生的熱量就會被回油帶走，以此來使軸承的溫度一直保持在要求范圍內。

由上述可知，軸瓦的運轉情況是由軸瓦溫度、軸瓦振動、軸系穩定性以及回油溫度等來決定的。因此，影響軸瓦溫度的因素主要表現在以下幾個方面：1）軸瓦表面存在脫落、損傷現象。當軸瓦表面有脫落、損傷，就會影響油膜的穩定性，進而使軸瓦的溫度升高。2）軸瓦與軸頸接觸不均勻。軸瓦與軸頸接觸不良會增加兩者之間的摩擦力，使軸瓦溫度升高。3）軸瓦載荷分配不均。當軸瓦荷載過大時，油膜容易破裂，使軸瓦和軸頸局部產生干摩擦，導致軸瓦溫度升高；當軸瓦荷載偏小時，油膜會過厚容易失穩，發生油膜振蕩，進而引起軸瓦溫度升高。4）軸承潤滑油溫度過高。如果軸承潤滑油的溫度過高，就會失去其本身的冷卻效果，軸瓦溫度相對也會升高。5）軸瓦進油量不足或排油不暢。軸承潤滑油具有潤滑、冷卻功能，如果軸瓦存在進油量不足或排油不暢等問題時，就無法發揮潤滑油的冷卻作用，進而導致軸瓦溫度偏高。6）軸瓦與軸頂部間隙不合格。如果軸瓦與軸頂部間隙過小，當機組高速旋轉時就會破壞油膜，軸瓦和軸頸局部就會產生干摩擦，進而使軸瓦溫度升高。

2 設備概況及故障情況

2.1 設備概況

某電廠的2 號機為哈爾濱汽輪機廠引進美國西屋技術生產的N320—16.7/537/537 型亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸反動凝汽式汽輪機，機組功率為320 MW。該機組轉子部件由高、中壓、低壓、發電機和勵磁機等5 個轉子和8 個軸承組成，各轉子之間采用剛性聯軸器連接，軸系布置如圖1 所示。

圖1 某電廠2 號機的軸系布置圖

2.2 故障情況

2022 年11 月22 日，2 號機在運行過程中停機惰走時間25 min，比正常惰走時間減少20 min。通過檢查歷史曲線發現，當2 號機在惰走轉速407 r/m 時，#4 軸瓦溫度從62℃開始快速上升；當惰走轉速250 r/m 時，#4 軸瓦溫度上升至174℃后，又快速下降至正常，整個過程持續約8 min，嚴重威脅了機組的安全運行。

鑒于此，檢修人員立刻甩負荷并停機翻瓦檢查，對各部位緊力、軸瓦間隙、頂軸油壓及油封間隙等進行測試。從2號機整體運行參數來看，#4 軸瓦頂軸油壓偏低。通過對2 號機的運行狀況進行分析，檢修人員初步判斷#4 軸瓦溫度高與#4 軸瓦機組潤滑油系統和機組負荷有關，出現該現象的原因是#4 軸瓦在低壓、高載荷下失去油膜，與軸頸產生直接摩擦，造成#4 軸瓦溫度升高，進而縮短了惰走時間。

3 瓦溫異常原因分析

為了詳細分析并確定#4 軸瓦溫度偏高的原因，現場檢修人員對盤車投入后#4 軸瓦的各項參數進行檢查，并與歷史起機記錄進行了對比，未發現異樣，機組繼續啟動并逐漸帶負荷。但是隨著2 號機的運行，當其惰走轉速為250 r/m時，#4 軸瓦溫度逐漸升高至174℃的報警值。為解決該問題，檢修時提前做好#4 軸瓦檢修的備件及人員安排等相關準備工作，并選擇更換一臺頂軸油泵，以排除因頂軸油泵故障引起瓦溫升高的可能。更換頂軸油泵后，啟動機組運行，通過監測#4 軸瓦的各項運行參數，發現#4 軸瓦溫度仍偏高，因此判斷此次瓦溫升高并非由頂軸油泵故障引起。

為此，檢修人員立刻甩負荷并停機翻瓦檢查，通過檢查發現#4 軸瓦勵端側有明顯的摩擦痕跡，同時還發現#4 軸瓦頂軸油供油管路與瓦枕接頭處的密封圈出現完全斷裂并脫出密封槽。因此判斷此次#4 軸瓦溫度迅速升高的原因是密封圈斷裂導致#4 軸承供油量大大降低了潤滑油的潤滑效果和冷卻效果，使#4 軸瓦勵端側產生干摩擦，進而引起#4 軸瓦溫度升高，縮短了機組停機惰走時間。

針對由密封圈斷裂引起#4 軸瓦溫度升高的問題，檢修人員采取更換密封圈，并將#4 軸瓦的下半兩軸瓦進行更換的措施。經過相關措施處理后，重新啟動2 號機。當機組滿負荷運行時，對#4 軸瓦各項運行參數進行監測，其余各項參數均屬正常，但#4 軸瓦溫度仍偏高，最高可達102℃，回油溫度不高，但也略高于其余軸瓦。針對這一現象，檢修人員對軸瓦的回油溫度和金屬溫度進行測試，選取#1～#6 軸瓦，設置A、B 共2 個測試點，當潤滑油溫為38 ℃時，測試軸瓦的回油溫度和金屬溫度，測試結果見表1。

由表1 相關數據可知，#4 軸瓦A、B 測試點的金屬溫度和回油溫度均高于其他軸瓦。為了徹底解決#4 軸瓦溫度偏高的問題，在上次停機翻瓦檢查的基礎上對#4 軸瓦的進油管、回油濾網等進行檢查，運行參數與歷史數據一致，排除了此次#4 軸瓦溫度升高是由供油不足引起的可能性。因此對2 號機各部位緊力、軸瓦間隙及油封間隙等進行測試，測得#4 軸瓦頂部間隙為0.58 mm，而設計值范圍在0.61 mm～0.71 mm，#4 軸瓦頂部間隙小于設計值，頂軸間隙過小，這就導致機組在高速旋轉過程中加大緊力，油膜容易遭到破壞，進而使軸瓦表面與軸頸部出現干摩擦，引起軸瓦溫度升高[5]。并對#4 軸瓦下部墊鐵與軸承座洼窩的接觸性進行檢查，發現存在接觸不良現象，軸瓦與軸承座出現干摩擦，導致軸瓦溫度升高。檢查節流孔，并未發現異物，且各項參數均符合設計值[6]。對#4 軸瓦進行解體后，經過綜合分析可知，低壓轉子中心偏差較大，中壓轉子偏高，導致#4 軸瓦載荷相對增大，這是引起#4 軸瓦溫度升高的最主要原因。

表1 帶負荷運行時#1～#6 軸瓦溫度

4 頂軸油壓變化分析

為了驗證#4 軸瓦溫度升高是由載荷相對增大引起的推斷，檢修人員在2 號機停機期間對#1～#6 軸瓦頂軸油壓變化進行了分析。在機組正常運行情況下，低壓轉子兩側軸瓦載荷相當，中壓轉子兩側軸瓦載荷較輕。因此，在軸瓦相同的情況下，#5 和#6 軸瓦頂軸的油壓應該相近，而#3 和#4 軸瓦荷載應該相對較輕，頂軸油壓也應該相對較小。但是，通過對滑停過程中#1～#6 軸瓦頂軸油壓進行測試，并觀察軸瓦頂軸油壓變化情況時發現，#1 和#2 軸瓦頂軸油壓的變化不明顯，但是#4、#5、#6 軸瓦頂軸油壓分布存在異常，其變化情況間表2。

表2 #1～#6 軸瓦頂軸油壓變化情況

通過分析表1 數據得出以下結論：1）機組在320 MW 負荷下，#6 軸瓦頂軸油壓明顯小于其他軸瓦；在220 MW 負荷下，#6 軸瓦頂軸油壓明顯高于其他軸瓦。在320 MW 和220 MW 負荷下，#4 和#5 軸瓦頂軸油壓相差不大。由此可以看出，在機組正常運行狀態下，低壓轉子兩側軸瓦的部分載荷被中壓轉子承擔，這在一定程度上增加了中壓轉子后側軸瓦載荷，也即增加了#4 軸瓦的載荷。2）在停機盤車狀態下，#4 和#5 軸瓦頂軸油壓分布存在明顯不合理的情況。停機破真空前，#4 軸瓦頂軸油壓僅達6.0 MPa，而相鄰#5 軸瓦頂軸油壓卻達到了13.5 MPa，#4 軸瓦頂軸油壓明顯遠遠低于#5 軸瓦。3）在停機盤車狀態下，破真空后，#4 軸瓦頂軸油壓由6.0 MPa 提高至10.0 MPa，而#5 軸瓦頂軸油壓由13.5 MPa 下降至10.2 MPa，#6 軸瓦頂軸油壓從13.4 MPa 下降至9.2 MPa。由此可以看出，機組破真空后，#1、#2 軸瓦載荷基本不變，而#4 軸瓦載荷增大，#5 軸瓦和#6 軸瓦載荷減少。由此可見，真空變化對#1、#2 軸瓦載荷分配影響較小，但是對#4、#5、#6 軸瓦載荷分配存在較大影響。

通過上述#1～#6 軸瓦頂軸油壓變化測試及分析可知，#4、#5、#6 軸瓦之間的載荷分配不合理。在機組破真空前，#4 軸瓦承受的載荷相對較輕；#5 軸瓦和#6 軸瓦比其本身所應該承受的載荷更重，此時考慮#5、#6 軸瓦頂軸油管可能存在泄漏或堵塞現象。機組破真空后，由于排汽缸在大氣壓作用下出現下沉，導致#5 軸瓦的標高下降，因此原本應由#5 軸瓦承受的載荷轉移到#4 軸瓦上。隨著#4 軸瓦載荷的增加，油膜厚度逐漸減少，逐漸失去油膜而與軸頸產生直接摩擦，進而導致#4 軸瓦溫度升高。

5 治理措施

經討論，針對上述引起#4 軸瓦溫升高的原因，應采取以下治理措施：1）為了避免熱態下#4 軸瓦載荷過大引起瓦溫高現象，通常會采取重新分配軸瓦荷載的措施。軸瓦載荷分配就是常說的轉子找中，將聯軸器斷開，對其端面和圓周偏差進行調整，即為軸瓦載荷的重新分配，與轉子是否同心沒有任何關系。并在轉子中心找好后，人為降低冷態下#4軸瓦的標高，使該軸瓦在冷態下所承受的載荷減少，與此同時熱態下的載荷也相應減少。2）為徹底治理此次#4 軸瓦溫度高的問題，在此次檢修中還囊括了中、低壓缸解體檢修，調整了#4 軸瓦墊鐵，使該軸瓦所承受的載荷降低。3）在盤車狀態正常的情況下，于沖轉前檢查確認汽輪機各軸瓦溫度、軸承振動、軸向位移等汽輪機主保護是否已正常投入，并啟動2 臺頂軸油泵，將#4 軸瓦頂軸油壓維持在10 MPa 以上；在沖轉過程中，如果#4 軸瓦的溫度、振動升高至跳閘值，應檢查保護動作跳閘，否則手動打閘，按破壞真空緊急停機處理。轉子惰走到0，如果盤車投不上，悶缸處理；沖轉后，密切監視各瓦溫度、回油溫度、軸承振動等，轉速600 r/m 時停留30 min，全面檢查正常后，繼續升速至2040 r/m 停留30 min 檢查是否正常（如果冷態，按冷態暖機時間進行），繼續升速至3000 r/m 并全面檢查。4）針對#4 軸瓦頂軸間隙過小問題，應更換或刮削止推板進行調整，確保其滿足設計要求。5）重新研瓦，確保#4 軸瓦下部墊鐵與軸承座洼窩的接觸面積符合軸瓦檢修工藝要求，其接觸面積必須達到墊鐵總面積的75%以上，且接觸點須均勻分布[7]，只有這樣才能確保接觸點嚴密，防止潤滑油外泄。

此外，在治理過程中還應注重檢修工藝質量，降低各項運行參數監測數據誤差，要嚴格按照質量驗收標準對重要運行參數進行驗收，避免給機組運行留下安全隱患[8]。

6 治理效果

采取上述治理措施后重新啟動2 號機，發現#4 軸瓦溫度明顯下降。經過治理，#1～#8 軸瓦的溫度均有變化，治理前、后溫度變化情況見表3。

通過對比表3 中#1～#8 軸瓦治理前、后溫度變化情況可知，調整軸瓦標高、降低軸瓦荷載是治理#4 軸瓦溫度高的主要措施，并輔以密切監視各瓦參數、更換或刮削止推板、重新研瓦等措施。通過調整#4 軸瓦標高、降低該軸瓦荷載后，#4 軸瓦前端溫度降低了18.5℃，后端溫度降低了20.1℃。軸瓦溫度雖然高于其他各軸瓦，但仍在標準范圍內。并對盤車狀態正常下的#4 軸瓦的油壓、溫度、振動等參數進行監測，各項參數均屬正常。由此可見，上述治理措施取得了良好的治理效果。

表3 #1～#8 軸瓦治理前、后溫度變化情況

7 結論

軸瓦是汽輪機組比較重要的組成部件，溫度過高不僅會損壞部件，造成經濟損失，甚至還會導致機組停機，影響機組的安全運行。該文以某電廠2 號機為研究背景，針對該機組#4 軸瓦溫度偏高故障，通過停機翻瓦檢查以及對頂軸油壓變化進行分析，驗證了此次軸瓦溫度偏高故障主要原因是軸瓦載荷分配不均，次要原因是#4 軸瓦下部墊鐵與軸承座洼窩接觸不良。結合檢修經驗，針對#4 軸瓦溫度高的問題，通過聯軸器中心找正、降低#4 軸瓦冷態下的標高并調整#4軸瓦墊鐵等治理措施，有效降低了#4 軸瓦溫度，取得了良好的治理效果，保障了2 號機的安全、穩定、經濟運行。