淺談汽輪機軸瓦的常見故障及檢修技術

潘航

（浙江省舟山市中海石油舟山石化有限公司，浙江 舟山 316000）

對于汽輪機組而言，汽輪機軸瓦的運行穩定性被認為是評價設備運行效能的關鍵，但根據各地區的反饋情況來看，汽輪機軸瓦在運行過程中經常會出現各類問題，包括汽輪機軸瓦燒灼、振動以及溫度異常等現象，極大地威脅了汽輪機組的運行穩定性。因此，為解決上述問題，應構建完整的汽輪機軸瓦故障處置與檢修體系，這也是本文研究的主要目的。

1 汽輪機軸瓦的燒灼問題

1.1 問題描述

汽輪機軸瓦燒灼是汽輪機組運行中較為常見的故障，是指在異常情況下，軸向位移突然超過安全值而造成工作面燒毀或者汽輪機軸瓦燒灼破壞等。以某100MW機組為例，在該設備啟動前未設軸向位移保護，在啟動后發現蒸汽異常，尤其是管道積水現象造成氣溫快速下降，根據現場觀測結果顯示主汽管道、主氣門、調節氣門冒白汽，控制盤上顯示軸向位移、脹差滿表，最后造成汽輪機軸推力瓦磨損6mm 左右，機組嚴重受損。

1.2 問題原因分析

根據現有研究發現，造成汽輪機軸瓦燒灼問題的原因主要包括以下幾方面。

（1）主油泵壓力與流量均低于啟動油泵，造成特性不匹配，在汽輪機軸瓦并列運行下需要啟動油泵，但由于上述問題導致主油泵處于半工作狀態，一旦停止油泵啟動，則會造成主油泵的流量瞬間發生改變，入口處的壓力下降，潤滑油向主油泵的補油量快速增加，因此潤滑油壓突降而造成汽輪機軸瓦問題。

（2）渦輪泵出力不足，設計流量偏低，再加之橢圓瓦結構下的潤滑油油耗快速增加，因此，在工況改變的情況下，可能造成油泵因為氣蝕現象造成油壓突然改變，再加之渦輪泵流量減少且轉速加大，會進一步加劇設備內部出現的氣蝕問題，導致汽輪機軸瓦燒灼問題發生。

1.3 汽輪機軸瓦燒灼破壞的檢修措施

根據《防止汽輪機軸瓦損壞的技術措施》等相關規定內容，在汽輪機軸瓦燒灼問題檢修中應重點做好以下工作：（1）在汽輪機組運行過程中若發現回油溫度或者軸瓦鎢金溫度達到規定值時應及時停機。（2）在汽輪機組日常維修階段，所有設計潤滑油系統的切斷操作（包括過濾器、啟動定速以及切換冷油器）都需要嚴格執行操作票制度，現場操作人員在相關技術人員的監督下緩慢進行，并與司機保持聯系，隨時監督設備的油壓變化情況，若發現因為各種原因造成油壓變化均應立即停止，確定油壓改變的原因。同時為保證，在操作中應對可能存有空氣的部件與設備作排氣處理，確定空氣徹底排空后才能與潤滑系統連接。（3）當設備出現瞬間斷油、水沖擊或者其他原因造成的汽輪機軸瓦損壞問題后，應先查明損壞原因再啟動設備。（4）應保證直流潤滑油泵以及密封油泵系統的電源供給可靠，相關聯動裝置回路中裝有交流中間繼電器的情況應改為直流中間繼電器，并提升線纜防火與耐火等級，保證系統安全。（5）采用平裝潤滑油系統截門的方式，該結構可避免門桿斷裂后發生斷油現象，并且為方便后期管理，潤滑油系統與冷油器冷卻水系統之間的截門可改為明桿截門，方便相關人員隨時了解截門開關度變化并進行處置。（6）執行嚴格的打閘停機技術規范。根據相關企業的成功經驗，為預防汽輪機軸瓦燒灼問題應注意以下內容：①當軸承回油溫度突然提升至70℃；②主軸瓦鎢金溫度大于等于80℃；③潤滑油泵啟動后，發現油壓低于規定值。

2 汽輪機軸瓦振動故障

2.1 汽輪機軸瓦振動破碎問題研究

2.1.1 問題描述

某廠一臺汽輪發電機組在2019 年4 月某日發現軸承潤滑油壓快速下降，停機檢查后發現汽輪機軸瓦碎裂現象嚴重，技術人員采取更換汽輪機軸瓦的措施，但在更新后運行一段時間又一次發生汽輪機軸瓦破碎現象。截止至2022 年5 月，近3 年時間，中共發生9 次汽輪機軸瓦破碎問題，為解決上述情況，期間技術人員采用了調整進油溫度、油壓以及優化軸承連接剛度等技術措施，但均未得到有效解決，上述問題存在嚴重影響了該廠的正常生產運行。

2.1.2 汽輪機軸瓦振動破碎原因分析

為有效解決上述問題，技術人員對該汽輪機組展開詳細調查，從現場監測結果可發現，當汽輪機的轉速達到3000r/min 時，設備軸頸在水平方向上產生了約為380μm 的位移，而垂直方向的位移量約為250μm。根據上述數據可以認為，問題汽輪機組在3000r/min 工況下的最小油膜厚度不足30μm，但按照軸承的設計標準，汽輪機的最小油膜厚度應大于等于60μm，由此可見，在上述工況下最低油膜厚度無法保證設備運行穩定。基于上述分析，認為案例汽輪機組發生軸瓦振動破碎的原因主要包括：（1）軸頸振動值偏高而導致軸瓦承受了更多的交變荷載；（2）軸頸晃度異常；（3）軸頸水平位移量異常造成油膜厚度改變。

2.1.3 制定檢修方案

（1）調整軸系中心。為預防汽輪機軸瓦破碎問題，選擇通過調整軸頸中心的方法控制軸頸晃度值，因此在檢修階段將3 號軸承標高抬高100μm 來降低1 號軸承承擔的荷載，并沿著順時針方向將1 號周正水平移動約100μm 的距離。經過上述改動后，根據現場測試結果發現，在汽輪機組低速轉動條件下，軸頸的晃動幅度略有減小；隨著轉動速度增加，軸承軸頸的偏移振動情況表現得越明顯，但與改造前相比，其水平方向的偏移量減少102μm，垂直方向的偏移量減少78μm，由此認為設備的最小油膜厚度值明顯增加，因此，1 號軸承的振動幅度也會明顯下降，但整體依然偏高。

（2）現場動平衡。為了進一步改善1 號軸承的軸頸振動現象，還需要對案例汽輪機組做動平衡，技術人員采取的措施包括：①改造汽輪機末級葉輪，即在葉輪上加重488g ∠180°，改造后結果顯示，1 號軸承的軸頸振動量明顯下降，但3 號軸承的振動量偏大。②第二次改造集中在對輪上，選擇將對輪加重550g ∠350°，改造后的試運行結果證實軸承振動量明顯下降，但1 號軸承的軸頸振動幅度增加。③第三次改造主要圍繞發電機兩側進行，即在3 號軸承一側加重300g ∠315°，在四號軸承上加重300g ∠135°。后期試運行結果發現，改造后軸系各點的振動量明顯下降，平衡效果滿意。

最后，經過上述處置后，技術人員在正常工況下檢查汽輪機瓦軸的運行狀態情況，根據現場反饋的信息可以發現，在滿負荷狀態下1 號軸承軸頸在水平方向上的偏移量僅為134μm，而在垂直方向的偏移量約為122μm，此時，裝置最小油膜厚度達到了138μm，滿足安全生產要求。

2.2 汽輪機軸瓦油膜振蕩

2.2.1 故障描述

某企業工作人員發現某汽輪機組的3 號汽輪機軸瓦出現了嚴重的振蕩現象，整個振蕩持續時間約為80 分鐘，其中最大振蕩幅度約為141μm，同時比較3 號軸承與正常軸承的振動數據差異后發現，造成該軸承振動的主要原因是變頻振動分量異常，根據3 號軸承的機組帶負荷運行結果發現，該軸承的軸心位置呈抬高狀，最大提升量達到了205μm。

2.2.2 汽輪機軸瓦油膜振蕩的原因分析

一般認為，造成汽輪機軸瓦油膜振蕩的原因是軸承油膜自身存在技術缺陷，表現為軸瓦壓比偏低、軸承間隙配合超標或者軸瓦荷載分布不合理等。同時就設備本身而言，當因為內外部因素造成減速荷載變化或者汽輪機進汽、抽汽等過程也會影響軸瓦的功能，導致油膜渦動發展為振蕩。

2.2.3 處理措施

在本次案例中，考慮到3 號軸承的運行狀態較差，并且為避免因為大幅度振動而引發嚴重后果，因此決定在設備運行期間采取以下應對方案：（1）汽輪機組運行期間應避免出現負荷較大的波動，以此來杜絕軸瓦荷載突然改變而影響油膜的性能。（2）考慮增加潤滑油的油溫來降低黏度，這也是抑制汽輪機軸瓦振動的有效手段，并且在設備運行后注意記錄軸瓦金屬溫度，避免因為高溫造成軸瓦燒灼。（3）合理利用機組停運機會做好搶修。在搶修后將兩側汽輪機軸瓦取下發現鎢金面嚴重磨損。

根據上述現場勘查結果，為杜絕汽輪機軸瓦油膜振蕩問題發生，技術人員采取了以下應對措施：（1）圓滑過渡處理鎢金受損部位，修刮進出油口，增大軸瓦壓比。（2）采用軸瓦結合面車對口方法，將軸瓦頂部的縫隙由最初的0.53mm 下調0.10mm。（3）現場調整3 號軸瓦標高，盡量保證整個結構的分布合理，因此選擇在軸瓦兩側墊塊位置設置0.05mm 墊片，確保墊片的接觸效果良好，無接觸不良情況。

2.2.4 效果評價

經過上述處理后，汽輪機軸瓦油膜振蕩問題得到有效緩解，根據現場檢測結果發現，問題軸瓦的X 方向軸振幅約為45.8μm，Y 軸方向振幅約為49.1μm，未發現低頻成分，機組自改進后尚未發生汽輪機軸瓦油膜振蕩問題。

3 汽輪機軸瓦磨損問題

汽輪機軸瓦磨損失效是較為常見的故障，其主要原因包括以下幾方面。

3.1 軸頸轉動速度

有研究認為，汽輪機軸頸的轉動速度成為影響油膜性能的重要指標，其中在低轉速階段設備所形成的油膜較薄且承載力差；而隨著轉速的增加，油膜厚度不斷增加，承載力也會明顯增加，二者的關系可以用公式（1）描述。

式中，C 表示軸承特征因數；η表示潤滑油黏度，單位為MPa；n 表示設備的轉速，單位為r/min；P 表示軸承單位承受的荷載，單位為kg/cm2。

根據公式（1）的相關內容可知，當C 處于500 ～600 時軸承為穩定的流體動力潤滑，而C 的水平越低則潤滑油膜越不易形成。因此，對于汽輪機而言，在設備停止、啟動過程中必然存在低轉速情況，一般當軸頸轉速低于153r/min 時C 值偏低，油膜的穩定性差，此時任何細微的外界干擾（如油溫變化、振動等）都會導致油膜破壞而發生干摩擦問題，最終造成汽輪機軸瓦磨損，導致軸瓦表面粗糙。為解決上述問題，在設備停止、啟動過程中，應適當提升轉速來強化潤滑因子水平，解決因為不能形成油膜而造成的摩擦破壞問題。也可以在汽輪機組頂部增設頂軸油泵，上述改造后，可使高壓力潤滑油進入軸頸下方，達到略微頂起軸頸的效果，其頂起高度約為0.05mm，即可有效緩解設備磨損破壞現象。也可以在不影響企業正常生產的情況下向潤滑油中添加抗磨節能劑，該物質可在軸瓦表面快速形成吸附膜，強化軸頸保護能力，可預防軸頸磨損破壞問題發生。

3.2 硬質雜質顆粒

硬質雜質顆粒對汽輪機軸瓦的破壞機制已經得到了相關學者的廣泛關注，一般當顆粒的粒徑達到油膜厚度的1/10 時，即可產生嚴重的磨損破壞作用。此類細小顆粒經潤滑流體動力學作用而出現聚集現象，一旦進入潤滑油內部后，會導致油膜動力承載特性明顯變化，大量硬質顆粒的破壞作用會導致金屬表面出現嚴重的磨損與疲勞破壞，最終影響鎢金表面性能。同時，固體顆粒的存在也可能造成空氣滯留以及起泡、氧化等破壞作用，改變油膜強度，嚴重情況下可能造成油膜失效。以某企業為例，該企業汽輪機機組在運行期間所出現軸承金屬溫度升高以及軸瓦鎢金被碾壓問題，根據技術人員的現場調查結果發現，發生碾瓦破壞的軸承上均有較大劃痕，而下瓦則未碾壓部分也可發現劃痕，根據這一現象可發現潤滑油中有直徑較大的顆粒。而后續的油質化驗結果也證明，油中有一定數量的機械雜質。為預防上述問題發生，在檢修期間可采用以下應對措施：（1）嚴格執行現場環境管理工作，做到設備現場解體清掃，并貫徹落實油路系統管材配置工作，要求所有焊口應做到100%氬弧焊打底。（2）保證油循環壓力，尤其是要提升焊口、三通以及彎頭位置的振打次數，確保內部機械雜物快速脫落。（3）增加油箱清潔管理力度，必要時可對油箱單獨進行大流量循環。

4 結語

對于相關人員而言，在汽輪機軸瓦日常檢修處置中，應高度了解汽輪機軸瓦燒灼、振動以及磨損破壞現象，盡早制定針對性的檢修措施，避免故障損失增加，爭取將設備故障控制在萌芽狀態，保證汽輪機正常運行，最終為企業創造更高的經濟效益。