燃氣透平機組軸承故障排查實踐與管理

王 鋒，張 謙，牛傳會

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450）

1 設備簡介

所述燃氣透平發電機組，其原動機部分由燃氣發生器（GG）和動力渦輪（PT）兩部分連接而成。機組的燃氣發生器為航改LM2500 型燃氣透平機組。機組的燃氣發生器部分共有編號為3#、4#、5#的3 處主軸承室，其對應潤滑油路編號分別為SUMP A、SUMP B 和SUMP C（圖1）。3#軸承室和4#軸承室分別位于壓氣機前機匣（CFF）和壓氣機尾機匣（CRF），為壓氣機轉子提供支承，并平衡軸向推力。5#軸承室位于透平中機匣（TMF），為高壓透平轉子提供支承。3#軸承室安裝有1 個滾柱軸承（3R），4#軸承室安裝有1 個滾柱軸承（4R）和1 個球軸承（4B），5#軸承室安裝有1 個滾柱軸承（5R）。

圖1 燃氣透平機組軸承位置

燃氣發生器各軸承室的潤滑油回油，分別經過過濾器和金屬碎屑檢測器組合體后回到油泵（圖2）。金屬碎屑檢測器為一個帶有磁性的電阻檢測器，當較大或較多金屬碎屑被吸附、聚集到檢測器頭部時，金屬碎屑搭接并聯通了檢測器的兩個電極板，使檢測器回路電阻明顯降低并顯示在HMI 人機界面。通過金屬碎屑檢測器可以方便地在線監測機組各主軸承的健康狀態，特別是當軸承發生異常磨損、剝落等故障時，可以提供即時的反饋與預警。

圖2 GG 潤滑油回油分布

2 故障發現與驗證

出現故障的燃氣透平機組，剛采用現場作業的方式進行25 000 h 解體大修（GG 熱部件更換）。大修完成并整體回裝后，機組試車72 h 出現金屬碎屑檢測器QE-350/QE-351 報警，停機后對全部金屬碎屑檢測器進行檢查，發現QE-350/QE-351 上出現少量金屬碎屑（圖3）。經廠家服務工程師現場確認屬正常現象且機組其他參數無異常，繼續啟機運行。再次運行522 h 后金屬碎屑探測器QE-353 出現報警，停機并拆卸QE-353 探測器，檢查發現該探測器頭部聚集有大量金屬碎屑，該金屬碎屑檢測器檢測SUMP B（4#軸承）潤滑油回路中的金屬碎屑（圖4）。

圖3 QE-350 金屬碎屑

圖4 QE-353 金屬碎屑

對其余金屬探測器QE-350/QE-351（檢測輔助齒輪箱AGB回油）、QE-352（檢測SUMP A 回油）、QE-354（檢測SUMP C 回油）檢查均無金屬碎屑被發現。收集QE-353 探測器上的金屬碎屑并送往專業檢測機構進行成分檢測。經對金屬碎屑進行ICP-AES 及SEM-EDS 檢驗發現，樣品主要成分為含鉻（約4%）、鉬（約3%～4%）、釩（約1%）的鐵基合金（含鐵約90%），構成與M50 軸承鋼相近，判斷碎屑是來自軸承內、外圈（表1）。經以上排查過程，初步判斷4#軸承故障，輔助齒輪箱（AGB）軸承和齒輪、3#軸承和5#軸承正常。

表1 金屬碎屑成分定量檢測結果

機組經拆解、打開檢查后發現，4#軸承室的4B 軸承外滾道出現一處較大面積的剝落損傷，4R 軸承部分滾子表面存在微小點蝕損傷，與機組拆解前判斷的故障位置一致（圖5）。

圖5 4B 軸承外滾道損傷

3 故障原因分析

利用故障根本原因分析（RCA）工具分析4#軸承的故障現象，可能的故障原因有3 項（圖6）。

圖6 4#軸承故障RCA 分析

3.1 軸承本身

燃氣透平機組軸承工作的溫度范圍很廣，要求既能在低溫下易于啟動，又要在高溫下正常工作。用于航空發動機主軸承的材料多為M50，得益于材料成分、加工工藝、檢測手段等相關技術的進步，透平機組專用軸承的質量也在逐步提升，壽命、穩定性有明顯改善。本臺機組大修之前運行狀況良好，各金屬探測器均未出現大量金屬碎屑的情況，而軸承壽命方面，廠家推薦50 000 h 即第2 個大修周期結束時更換，目前遠未達到這一使用期限。綜上所述，軸承本身的質量問題可能性不大。

3.2 潤滑油

特性相符、品質良好、潔凈的潤滑油對軸承壽命起到決定性作用；相反，變質和被污染的油品會加速軸承的損壞。本例中，機組油品按照季度例行取樣化驗，最后一次化驗在大修前1 個月，各項指標基本正常，污染度未超出建議值，運動黏度接近參考值上限，只有酸值略微超出參考值，對油品工作特性造成的不良影響可控；油箱的進、出管路均有雙聯過濾器，合成油系統又為閉環系統，在機組日常運行和維護過程中，不可能有外源性雜質進入軸承室造成軸承損壞。拆換全部濾芯檢查，未見濾芯有破損現象，濾芯表面未見有明顯雜物堆積。

3.3 直接原因

本次軸承故障發生在大修完成以后，大修作業直接造成軸承故障可能性是存在的：①本次大修是對燃燒室及其后的熱部件進行拆解、更換，包括4#軸承在內的壓氣機部分未作拆解，不可能是大修直接造成該軸承受損；②大修時回裝的高壓透平轉子短軸，其徑向跳動量未超出允許范圍，機組試運轉時GG 各軸承振動值正常，短軸安裝問題導致軸承故障的可能性也被排除；③大修過程可能有雜質進入潤滑油系統。

雖然潤滑油系統為閉環系統，而且大修作業未拆卸4#軸承，但本次大修將機組本體上的合成潤滑油系統管線全部進行了拆除和重裝，存放過程中管口封閉不嚴、拆除或裝配管線時管口清理不嚴格都可能導致外源性雜物進入管線，因此在現場復雜環境下進行的大修作業，很難避免管線內部不會混進個別硬質小顆粒物（圖7）。硬質顆粒物，如砂粒等，對金屬軸承具有嚴重的破壞力，而一旦硬質顆粒物進入機組本體的軸承室進油管道，則此類顆粒物未經任何過濾裝置可以直接進入軸承室甚至軸承內部，對軸承造成嚴重破壞。

圖7 機組4#軸承位置與大修范圍（陰影區域）

4 故障排查管理

設備故障的排查，考驗管理人員對相關學科的理論基礎、設備的系統構造、運行原理、控制系統和部件工作特性等知識的全面掌握程度。設備管理人員應多了解設備故障案例，具備發散和綜合的思維習慣，善于使用現代檢測手段，在分析時方能夠全面、快速和精確無誤地鎖定故障點，進而為故障處理打下基礎。

5 結語

作為設備管理人員，應不斷擴展知識邊界，增加知識儲備，提升綜合管理能力。在開展故障排查時，善于提取設備運行數據，深入挖掘數據的內在價值，借用先進監測、檢測技術，獲得精確定量的分析結果，結合實施PDCA（Plan-Do-Check-Act，計劃、執行、檢查和處理）質量管理提升活動，從根本上不斷提升設備管理水平，逐步降低設備故障率。