汽輪機軸瓦的常見故障及檢修措施研究

［摘 要］軸瓦是汽輪機組的重要組成部分，長期運行可能導(dǎo)致磨損和振動加劇。如不進行定期檢查及維修，可能引發(fā)高溫甚至停機風(fēng)險，對設(shè)備安全穩(wěn)定運行構(gòu)成嚴重威脅。文章探討了軸瓦的運行原理及常見故障，介紹了軸瓦檢修技巧，結(jié)合具體案例分析，以提高汽輪機組運行的穩(wěn)定性。

［關(guān)鍵詞］汽輪機；軸瓦；常見故障；檢修技術(shù)

［中圖分類號］TM311 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0110–03

1 汽輪機軸瓦概述

1.1 汽輪機軸瓦作用及其材質(zhì)特性

作為汽輪機組核心部件之一，軸瓦主要作用在于承載軸頸負荷，建立穩(wěn)定的油膜并減小摩擦。其外觀平整光亮，使用耐磨材料制造，形狀為圓弧形。根據(jù)支撐部位和方向不同，可分為徑向瓦和軸向瓦兩類。其中，徑向瓦用于支撐汽輪機轉(zhuǎn)子，而軸向瓦則負責(zé)軸向定位。

1.2 汽輪機軸瓦工作原理

若軸瓦與轉(zhuǎn)軸間摩擦過劇，會產(chǎn)生摩擦熱量，從而導(dǎo)致軸瓦嚴重磨損。雖然軸瓦采用特殊材質(zhì)制造，但若直接接觸摩擦仍有可能因高溫造成損壞。軸瓦的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 汽輪機軸瓦的常見故障及檢修措施

2.1 汽輪機軸瓦振動大問題

2.1.1 汽輪機軸瓦振動過大的判定方法

面對汽輪機軸瓦振動過大的現(xiàn)象，首要任務(wù)是評估設(shè)備的整體狀況。這其中可能涉及設(shè)計、運行、制造、檢修、安裝等多個環(huán)節(jié)。如設(shè)備從投產(chǎn)之日起就未曾出現(xiàn)過這類問題，那么可以初步排除設(shè)計與制造的因素。而檢修與安裝中存在的動靜不平衡、葉片結(jié)垢、軸承標(biāo)高等問題都可能導(dǎo)致振動。如果在檢修完成后首次啟動就發(fā)現(xiàn)振動過大，應(yīng)從這些方面入手調(diào)查；反之，如果在運行一段時間后才出現(xiàn)振動過大，則應(yīng)主要關(guān)注運行因素。經(jīng)過上述步驟，能對汽輪機軸瓦振動過大的基本情況作出準(zhǔn)確判斷。

2.1.2 軸瓦振動大的檢修案例

文章對自2012 年投產(chǎn)以來的一臺亞臨界機組進行了深入研究。2020 年6 月2 號瓦x 和y 方向振動振幅大幅增加，從78 μm/90 μm 增至117 μm/121 μm，隨后趨于穩(wěn)定。特別注意到，該故障只發(fā)生在2號軸瓦上，不存在因膨脹而引起的振動。同時，如果機組的葉片或零件發(fā)生了故障，通常會有很大的異常噪聲，而這次卻沒有。通過精確地檢測汽輪機的各個重要部件的溫度，一切都在合理的范圍之內(nèi)。停機檢查后，發(fā)現(xiàn)2 號軸承探針被金屬物體粘附，在高速轉(zhuǎn)動時，探針檢測到主軸有橢圓的變形，誤以為是振動原因，但實際情況良好。通過對主軸直徑的高點進行磨光，使軸承的振動降到了原來的水平。

2.2 汽輪機軸瓦的燒灼問題

2.2.1 存在的問題

汽輪機軸瓦燒瓦是大型機組在使用過程中經(jīng)常發(fā)生的一種故障，主要表現(xiàn)為軸承軸向位移超過了安全界限，造成軸承和軸承座的損壞。例如，一臺100 MW 機組在啟動之前沒有安裝軸向變位保護，啟動后由于出現(xiàn)了異常蒸汽，尤其是管道內(nèi)的積水，使溫度急劇下降，蒸汽管道、主氣閥及調(diào)整閥出現(xiàn)了白色蒸汽，控制板出現(xiàn)了軸向偏移和脹差滿表的現(xiàn)象，最后造成了汽輪機推力瓦6 mm 左右的磨損，造成了機組的嚴重損壞。

2.2.2 故障原因

（1）主油泵的壓力和流量低于起動泵，造成了性能的不匹配。當(dāng)機組并聯(lián)運行時，需要啟動油泵，但因以上原因，造成了主油泵的“半運轉(zhuǎn)”，當(dāng)停機后，主油泵的流量會發(fā)生瞬間變化，進口壓力減小，機油補充到主油泵中的油量會快速增加，造成機油壓力急劇降低，進而引起軸瓦故障。

（2）渦輪泵的出力不夠，設(shè)計的流量偏小，加之橢圓片的構(gòu)造，使得機油的耗油量大幅提高。當(dāng)運行條件發(fā)生變化時，由于汽蝕現(xiàn)象會造成油泵壓力突然升高，加之渦輪泵的排量降低和轉(zhuǎn)速升高，會使設(shè)備內(nèi)部汽蝕問題更加嚴重，最終造成軸瓦燒損。

2.2.3 針對燒透的汽輪機軸瓦的維修措施

按照《防汽輪機軸瓦損壞技術(shù)措施》及其他有關(guān)規(guī)定，對軸承燒損進行維修，主要包括以下方面。

（1）在使用過程中，如果出現(xiàn)返油溫度過高、軸承套鋼鎢合金的溫度超過規(guī)定，必須立即停止生產(chǎn)。

（2）在保養(yǎng)過程中，嚴格按照規(guī)定，重點關(guān)注對機油系統(tǒng)有影響的操作（如更換過濾器、啟動定速、冷卻油切換等），并隨時注意液壓的變化。如果發(fā)現(xiàn)有不正常的油壓波動，應(yīng)該馬上停車檢查。另外，為了確保安全，必須對可能存在氣體的部分及設(shè)備進行抽氣，確保沒有殘余氣體后，才能啟動潤滑系統(tǒng)。

（3）對因斷油、水錘或其他原因引起的軸承損壞，在確定起動前，必須查明故障的根源。

（4）保證直流潤滑泵和密封泵系統(tǒng)的電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，將中間繼電器替換成了中間的直流繼電器，提高了電纜的防火和防火能力，從而保證了整個系統(tǒng)的安全性。

（5）為防止因閥桿折斷而造成的斷油意外，便于日后的維護，且方便操作人員對閥口的變化進行實時監(jiān)測，并對其進行適時調(diào)節(jié)，將機油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)之間的閥門換成了明桿式。

（6）嚴格按《打閘停機技術(shù)規(guī)程》進行操作。軸瓦燒蝕的表現(xiàn)如下：①回油溫度突然升高到70℃或伴有其他異常（如油壓下降、油質(zhì)變化等）；②錠子瓦的鎢金溫升在80℃以上；③潤滑油泵在起動后，其壓力降至規(guī)定值以下。

2.3 汽輪機軸瓦振動破碎問題

2.3.1 故障描述

2019 年4 月，某發(fā)電廠汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)軸承潤滑油壓驟降致緊急停車現(xiàn)象。經(jīng)檢查，軸瓦嚴重受損，遂進行更換。然不久后新軸瓦再度損壞。此后至2022年5 月，3 a 間該機組發(fā)生此類事故9 次。對此，技術(shù)團隊曾試圖調(diào)整進油溫度、壓力，以及改善軸承連接剛度等措施，未見明顯成效，嚴重影響生產(chǎn)運行。

2.3.2 故障原因

為深入探析矛盾根源，技術(shù)團隊專項調(diào)研了該蒸汽輪機組。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達3 000 r/min 轉(zhuǎn)時，設(shè)備軸頸水平方向移動約380 μm，垂直方向移動約250 μm。由此推定，在此工況下，汽輪機油膜厚度僅約30 μm，遠低于軸承設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的60 μm。故軸頸振動過大、晃動異常及水平位移過大成為軸瓦振動破碎主因。

2.3.3 檢修方案

（1）嚴密關(guān)注并調(diào)整軸系中心。為了防止汽輪機軸瓦遭受破壞性損傷，需要精確調(diào)整軸頸中心來掌控晃度值。因此，在每次檢修期內(nèi)，將3 號軸承的標(biāo)高向上提升了100 μm，這使得該軸承的負擔(dān)得以減輕。此外，還將1 號軸承向順時針方向水平移動了大約100 μm。經(jīng)過實驗驗證，在汽輪機低速運轉(zhuǎn)階段，軸頸的晃動程度確實得到了一定程度的緩解。然而，隨著轉(zhuǎn)速的逐步攀升，軸承軸頸的偏移振動愈發(fā)劇烈，但水平偏移與垂直偏移分別減少了102 μm 及78 μm，這就意味著最小油膜厚度有了顯著增長。盡管如此，1 號軸承的振動仍然保持在較高水平。

（2）實地開展動平衡工作。為了有效解決1 號軸承軸頸振動的問題，決定對整個汽輪機組實施動平衡操作。以下是采取的具體措施：①對汽輪機末級葉輪進行必要改造，并在此基礎(chǔ)上加裝重量為488 g 且角度為180° 的配重塊。實驗數(shù)據(jù)證實，1 號軸承軸頸振動得到了明顯緩解，但是3 號軸承的振動卻出現(xiàn)了輕微上升趨勢。②對輪進行相應(yīng)改造，并在此基礎(chǔ)上加裝重量為550 g 且角度為350° 的配重塊。試運行的結(jié)果顯示，軸承振動大幅下降，然而1 號軸承軸頸振動卻不降反增。③對發(fā)電機兩側(cè)進行改造，在3 號軸承一側(cè)加裝重量為300 g 且角度為315° 的配重塊，而在4 號軸承上則加裝重量為300 g 且角度為135° 的配重塊。最后，軸系各點的振動都有了明顯降低，平衡效果十分理想。經(jīng)過上述處理之后，在正常工況下檢查汽輪機瓦軸的運行狀況，發(fā)現(xiàn)滿負荷狀態(tài)下1 號軸承軸頸的水平偏移僅為134 μm，垂直偏移約為122 μm，此時最小油膜厚度達到了138 μm，完全符合安全生產(chǎn)的嚴格標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 汽輪機軸瓦磨損問題

在汽輪機運行過程中，軸瓦失效是一種較普遍的異常現(xiàn)象，其主要根源可以歸結(jié)于如下方面。

2.4.1 軸頸轉(zhuǎn)動速度

依據(jù)科學(xué)分析，汽輪機軸頸轉(zhuǎn)動速度被確立為評價油膜效能的核心指標(biāo)。轉(zhuǎn)速較低時，所生成的油膜質(zhì)地單薄且負載能力不足。隨著轉(zhuǎn)速攀升，油膜逐漸增厚，負載能力也隨之大幅提高，這一現(xiàn)象可由公式（1）進行精確描述。

由式（1）可知，C 值為500MPa～600MPa 可保證軸承穩(wěn)定的流體動力潤滑，否則難于形成穩(wěn)固且具厚度的潤滑油膜。對于汽輪機這類設(shè)備，停啟過程中常處于低速運轉(zhuǎn)，尤其當(dāng)軸頸轉(zhuǎn)速低于153 r/min 時，C值過低，油膜穩(wěn)定性降低，易受外界干擾（如油溫波動、振動等）導(dǎo)致油膜破裂，引發(fā)干摩擦，造成軸瓦磨損和表面粗糙化。為解決此問題，可在設(shè)備停啟期間適度提升轉(zhuǎn)速，改善潤滑效果，避免因無油膜保護而產(chǎn)生的摩擦損傷。另外，在汽輪機組頂部安裝頂軸油泵，高壓潤滑油注入軸頸下方，輕微抬升軸頸，抬升高度約0.05 mm，有助于減少設(shè)備磨損?；蛟诓挥绊懮a(chǎn)的情況下，向潤滑油中添加抗磨節(jié)能劑，該添加劑能快速在軸瓦表面形成吸附膜，強化軸頸防護，防止磨損。

2.4.2 硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒

硬粒子是導(dǎo)致汽輪機軸承瓦磨損失效的主要原因。研究表明，當(dāng)微粒的直徑達到油膜厚度的1/10 時，就會產(chǎn)生明顯的磨損。該顆粒在水動力作用下極易積累，當(dāng)其進入潤滑介質(zhì)后，會顯著改變材料的動態(tài)承載性能，造成材料表面的劇烈磨損和疲勞破壞，從而縮短材料的使用壽命。此外，固體粒子還會造成空氣滯留、氣泡生成及氧化損傷，使薄膜的強度發(fā)生變化，嚴重時還會造成薄膜的破壞。如一家公司的一臺汽輪機組在使用過程中發(fā)生了軸承金屬溫升升高、軸瓦鎢金碎裂等事故。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)發(fā)生磨瓦損壞的軸承表面都有很深的劃痕，而在沒有被碾壓的部位也有劃痕，因此可以推斷，機油中存在著大量的微粒。隨后的油樣分析也證明了這種看法：原油中含有大量的機械雜質(zhì)。為防止此類問題再次發(fā)生，提出了以下對策：①加強對施工現(xiàn)場的環(huán)境治理，對設(shè)備進行拆卸清理，對油路系統(tǒng)的管路進行布置，所有的節(jié)點都要用100% 氬弧焊接；②確保機油循環(huán)壓力，特別是焊接接頭、三通和彎頭等處的振動頻率，促使機器垃圾迅速排出；③加強油箱的清洗和管理，如有需要，可以對油箱實施獨立的大流量回收。

2.4.3 軸瓦磨損的換瓦處理案例

某電企在裝配軸承瓦片時，因頂隙過小，導(dǎo)致運轉(zhuǎn)過程中下半部瓦片遭受嚴重磨損，而上半部卻未受波及。檢測及測算結(jié)果顯示，軸頸與測規(guī)（橋規(guī)）間隙為0.65 mm，而測規(guī)實際測量值為0.62 mm。經(jīng)溫度修正后，推算所得的瓦片磨損度為0.11 mm。測規(guī)測量示意如圖2 所示。

鑒于軸承安裝原始數(shù)據(jù)不足且存在重大安全隱患（軸承負荷分配失調(diào)，導(dǎo)致軸系震動），該襯瓦最終更換，替換后保證軸承頂部間隙在0.55～0.65 mm，軸承壓蓋緊力在0.02～0.05 mm，以保障設(shè)備穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。此外，以2023 年7 月1 日二期5 號汽包水位異常跳閘為實例進行分析：在首次跳閘惰走過程中，5 號機組瓦溫出現(xiàn)波動；再次啟動時，瓦溫急劇上升，達到174.42℃。據(jù)此推測，可能是2 號軸瓦磨損所致。隨后，對主油箱回油濾網(wǎng)進行檢查，發(fā)現(xiàn)大量鎢金殘渣。進一步觀察2 號軸瓦溫度變化曲線及油箱回油濾網(wǎng)上的鎢金碎屑，確認2 號軸瓦已嚴重磨損，需更換瓦塊。在更換軸承瓦塊時，適當(dāng)調(diào)整2 號軸承負荷，減輕其承受壓力。

3 結(jié)束語

關(guān)于汽輪機軸瓦故障的誘發(fā)原因眾多且復(fù)雜多變，可以依據(jù)汽輪機軸瓦當(dāng)下的真實狀況和運行情況，采用精準(zhǔn)獨特的診斷分析方法，對可能導(dǎo)致此類故障的成因進行逐一細致的篩選和認定。通過這樣的過程，可快速而又果斷地采取相應(yīng)的措施來修復(fù)汽輪機軸瓦，使之重新恢復(fù)到正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)。文章深入淺出地剖析了汽輪機軸瓦常見的故障類型及相應(yīng)的檢修措施，其研究成果對于提高汽輪發(fā)電機組的安全性和可靠性具有深遠且重大的價值和意義。

參考文獻

[1] 郭雅冬. 汽輪機軸瓦的常見故障及檢修技術(shù)分析[J]. 電工技術(shù)，2023（14）：118-120.