1. 設備概述

該空分機組（zǔ）由（yóu）汽輪機驅動，工作機包括空壓機和增壓機。其（qí）中，汽輪機型號（hào）為NKS50/63/28，空壓機型號為RIK100-4，增壓機型號為RZ35-7。機組調（diào）速範圍為4238r/min~5933r/min，額定運行轉速為5650 r/min。

汽輪機（jī）進汽（qì）壓力為3.72MPa，進汽溫度為（wéi）430°C，排汽壓力為0.016MPa。推力軸承型式為金斯伯雷（léi），軸位移報警門限為±0.50mm，聯鎖門限為±0.70mm。

圖1 機組總貌圖

2. 故障（zhàng）現象

機組正常運行期間（jiān），各設備振動幅（fú）值均不高，其中汽輪機振動值（zhí）保持在（zài）15μm左右，空壓機振動幅值低於15μm，齒輪箱高、低速軸振動幅值均（jun1）在15μm以下，增壓機振動幅值（zhí）在30μm，總體振動幅值趨勢均比較平穩，從相關圖譜評估，振動（dòng）表現無（wú）異常。

機（jī）組中修（xiū）後，自2020年2月15日起開始啟機運（yùn）行，起初各監測參數均比較穩定，但在一周後（hòu），汽輪機軸位移出現了緩慢變化的趨勢，兩通（tōng）道軸位移數（shù）值（zhí）分別從-0.12mm和-0.20mm緩慢（màn）變化，一直到2020年7月4日停機時，汽輪機軸位移（yí）數值分別變（biàn）化至-0.45mm和-0.56mm，累計變化（huà）範圍達到0.35mm，觸發報警門限。

在此期間，汽輪（lún）機主推力軸承溫度（dù）也有同步變化（huà），從（cóng）65°C緩慢上漲至80°C左右。而同（tóng）一時間段內，監測的壓縮（suō）機（jī）低壓缸和高壓缸軸位移數值和推力軸承溫（wēn）度均無明顯變化。

圖2 汽（qì）輪機軸位移趨（qū）勢圖

3. 故（gù）障分析及結論

查看此時間段內，查看汽輪機（jī）軸（zhóu）位移傳感器的GAP電壓趨勢，兩通道GAP電壓值分別從初（chū）始的-11V和-12V左（zuǒ）右變化至-13.5V和-14.5V，變化範圍達2.5V左右，經過計算，GAP電壓值的變（biàn）化（huà）量與位移值的變化基本吻合（1V對應125μm），評估此數（shù）值變化為設備真（zhēn）實軸位（wèi）移數據，排除儀表（biǎo）方麵的異常因素（sù）。

圖3 汽（qì）輪機軸位移探頭GAP電壓趨勢圖

另外，從GAP電壓數值的變化上看，表現為位移盤在逐漸遠離傳感器探頭，結合機組的結構和傳感器布置位置，判斷轉子在向著主推力方向緩慢變化。

圖4 汽輪機軸位移測點示意圖

機組在運行過程中，轉子逐漸向主推力方（fāng）向變化一般與軸向力變化或者推（tuī）力軸承磨損有關。

針（zhēn）對（duì）軸向力發生改變（biàn），一是與負（fù）荷（hé）調整有關。此機組在運行期（qī）間，汽輪機的調（diào）汽閥和壓縮機防（fáng）喘振閥門均未進行過主動調節，且壓縮（suō）機（jī）兩個缸的軸位移數值和推力軸承溫（wēn）度都沒有明顯變（biàn）化，故可排除負荷調整方麵因素；二是與汽輪機通流部分結垢有關。

通（tōng）過查看振動（dòng）趨勢，1X幅值和1X相位均沒有明顯變化（huà），而且對於判斷通流部分是（shì）否結垢的一個（gè）關鍵指標--輪室壓（yā）力上看，也無明顯變化，所以基本可排除結垢方麵（miàn）的因素。

針對推力軸承磨（mó）損方麵，一是與殘餘（yú）軸向力較大，推力軸承不能完全平衡掉軸向力，此一般與設計有關，在新機組（zǔ）上可能存在此問題；二是推力軸承出現潤滑不良或者電流腐蝕有關。

經過了解，該機組上次檢修時，在推力軸承及支撐軸（zhóu）承上均發現有不同程度的微小的黑色凹坑，懷疑此為軸電流腐蝕（shí）所致。為排查此問題，建議（yì）用戶利用在汽輪（lún）機（jī）轉軸上的裸露（lù）位置外接導線測量軸電（diàn）壓值。

經現場人員檢（jiǎn）測，發現在轉子旋轉時，轉子（zǐ）的軸電壓值（zhí）在60V~80V左（zuǒ）右（yòu），轉（zhuǎn）子上的確有軸電壓存在，由此判斷此問題與軸（zhóu）電流腐蝕有關（guān）。因推力軸（zhóu）承處存在電腐蝕（shí）現象，導致推力瓦塊（kuài）表麵的巴（bā）氏合金出現磨損，推力軸承（chéng）抵（dǐ）消殘餘軸向力的能力下降，軸位移和軸承溫度都出現了緩慢（màn）變化的（de）情（qíng）況。

在旋轉機械轉子係統（tǒng）中，大（dà）部分機組（zǔ）采用（yòng）的都（dōu）是滑（huá）動軸承（chéng），轉子在高速旋轉時與軸承之間有油膜絕緣。

由於轉子對地存在電阻，一旦帶（dài）電（diàn），就會建立起對地電壓，當（dāng）電壓升高到某（mǒu）一數值，就會在電阻Z小的區域擊穿，發生電（diàn）火花放電。而機組中（zhōng）Z容（róng）易出現電火（huǒ）花（huā）放電（diàn）的部位就是在徑向軸承和推力軸承的承載麵上。

對（duì）於徑向滑動（dòng）軸，軸承電蝕凹坑的發展（zhǎn）會使（shǐ）巴氏合金表麵受到嚴重的腐蝕，這不僅會改變軸承的原有間隙，而（ér）且表麵光潔度下降還會導致軸承表麵的擦傷和擦痕、局部高溫和燒傷。推力軸承的電火花燒傷是（shì）油膜過薄引起的，一般推力瓦塊在電火花的侵蝕下很快（kuài）磨耗。

基於此，建議機組在（zài）運行時，可嚐試（shì）降低油（yóu）溫至設計下限，並提（tí）高汽輪機推（tuī）力軸（zhóu）承處的支管（guǎn）油壓，以增加進油量。

4. 故（gù）障驗證

機組運行至2020年7月7日，利用停產間（jiān）歇對汽輪機推力軸（zhóu）承進行了拆解檢查。

發現在主推力軸承側每（měi）個瓦塊的巴氏合金上，沿止推盤旋轉方向均磨出一個斜坡，瓦（wǎ）塊上油楔的出口端磨蝕區（qū）和非（fēi）磨蝕區之間存在明顯的界線，磨蝕區已失去金屬光（guāng）澤，而（ér）非（fēi）磨蝕區仍保持巴氏合金原有的加工麵（miàn）光（guāng）澤。

觀察推力盤兩側外觀也不相（xiàng）同（tóng），主推力側表麵呈淺灰色，像噴過砂一樣沒有光澤，表麵布滿了點蝕（shí）凹坑，而（ér）副推麵仍保持加工麵的金屬光澤。此為（wéi）推（tuī）力軸承出現電腐蝕的典型特征。

圖5 汽輪機主推力軸承（chéng）拆解照片（piàn）

軸電流的形（xíng）成除了外部對（duì）轉子施加一定的電位（wèi）之外，大多數則是與下麵的（de）幾種因素感應而產生的：

對於電機類轉子，產生軸電流的原（yuán）因（yīn）主要是磁力線分布的不對稱效應與轉軸的磁化效應。磁力線分（fèn）布不對稱通常是（shì）由於疊（dié）片層的不對稱間隙引起的。除電機類轉子外，其它設（shè）備也會因軸的磁化而產生軸電流。

現代大型化工裝置中由蒸汽透平驅動端離心機組，雖非（fēi）電力設（shè）備，但有（yǒu）時也會形（xíng）成很高的（de）軸電流。經查閱相關資（zī）料，這是一種由粒子碰撞摩擦引起的靜電（diàn）效應。

對於蒸汽透平—離心壓縮機組，多（duō）數是由於濕（shī）蒸汽粒子碰撞使轉子帶電，尤其是（shì）冷凝式蒸汽透平，末幾（jǐ）級的（de）濕（shī）度含量較高，水蒸氣粒（lì）子對轉（zhuǎn）子葉片的碰撞和摩（mó）擦引起的（de）靜（jìng）電效應而帶電。因此在冷凝式蒸汽透平中（zhōng）會比較多的遇到軸電流問題，而在背（bèi）壓式蒸（zhēng）汽透平中較少發生（shēng）。

此外，離心壓（yā）縮機和蒸汽透平轉子工作時也可能因潤滑油引起帶電，當潤滑油通（tōng）過過濾器時，由於濾網通路很（hěn）小，通常隻有幾微米，油分子（zǐ）與濾網的碰撞與摩擦會導致分子（zǐ）帶電。當電位升高到一定值時，將在油膜（mó）電（diàn）阻Z低處擊穿而產生電火花放電。

減小或消除軸（zhóu）電流引起的損傷，主要手段（duàn）是限（xiàn）製軸電壓的升高，一般認為，足以（yǐ）引起軸電流損傷的電壓在20V以上，典（diǎn）型的軸（zhóu）承損傷電壓在30～100V之間。如果把軸電壓降到1V以下，基本上就可以消除軸電（diàn）流帶來的故障。限製和降低軸電壓主要方法就是增（zēng）加接（jiē）地裝置，例如用炭刷使轉子對地導通，消除轉軸靜電電（diàn）位。

對於在運轉過程中已經發生軸電流侵蝕的機器，使用改變油膜厚度的方法(例如（rú）改變油（yóu）的（de）黏度、改（gǎi）變潤（rùn）滑油供應量、改變軸承（chéng）速度和負荷等)也可以（yǐ）減小（xiǎo）電流（liú）侵蝕的速度（dù），實際使用證明此法有一定效果。

對於蒸汽透平產生的靜電電荷，可以用控製水蒸氣（qì）微滴的大小，改變噴嘴和葉片的材料和光潔度（dù）等，以減小液滴碰撞和摩擦起電。但是，這種措施對於已在運行中（zhōng）的機（jī）器往往是不現實的，它意味著需要重新設計一（yī）套防止產生（shēng）軸（zhóu）電流的有（yǒu）效裝置。

針對（duì）該案（àn）例中（zhōng）的汽輪機軸電流問題，建議用戶在下次檢修時在軸端加裝導電刷，使轉子對地導通，消除轉子（zǐ）靜（jìng）電電位。當然為徹底去除轉子上軸電壓，若有條件Z好將轉子返廠做（zuò）測磁、消（xiāo）磁處理。

本（běn）文選自《沈鼓雲服務 · 機組故障診斷案例集2020版》