1. 設備概述

該空分機組由汽輪機驅動，工作機包括空壓機和增壓機。其中，汽輪機型號為NKS50/63/28，空壓機型號為RIK100-4，增壓機型號為RZ35-7。機組調速范圍為4238r/min~5933r/min，額定運行轉速為5650 r/min。

汽輪機進汽壓力為3.72MPa，進汽溫度為430°C，排汽壓力為0.016MPa。推力軸承型式為金斯伯雷，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. 故障現象

機組正常運行期間，各設備振動幅值均不高，其中汽輪機振動值保持在15μm左右，空壓機振動幅值低于15μm，齒輪箱高、低速軸振動幅值均在15μm以下，增壓機振動幅值在30μm，總體振動幅值趨勢均比較平穩，從相關圖譜評估，振動表現無異常。

機組中修后，自2020年2月15日起開始啟機運行，起初各監測參數均比較穩定，但在一周后，汽輪機軸位移出現了緩慢變化的趨勢，兩通道軸位移數值分別從-0.12mm和-0.20mm緩慢變化，一直到2020年7月4日停機時，汽輪機軸位移數值分別變化至-0.45mm和-0.56mm，累計變化范圍達到0.35mm，觸發報警門限。

在此期間，汽輪機主推力軸承溫度也有同步變化，從65°C緩慢上漲至80°C左右。而同一時間段內，監測的壓縮機低壓缸和高壓缸軸位移數值和推力軸承溫度均無明顯變化。

圖2 汽輪機軸位移趨勢圖

3. 故障分析及結論

查看此時間段內，查看汽輪機軸位移傳感器的GAP電壓趨勢，兩通道GAP電壓值分別從初始的-11V和-12V左右變化至-13.5V和-14.5V，變化范圍達2.5V左右，經過計算，GAP電壓值的變化量與位移值的變化基本吻合（1V對應125μm），評估此數值變化為設備真實軸位移數據，排除儀表方面的異常因素。

圖3 汽輪機軸位移探頭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向變化一般與軸向力變化或者推力軸承磨損有關。

針對軸向力發生改變，一是與負荷調整有關。此機組在運行期間，汽輪機的調汽閥和壓縮機防喘振閥門均未進行過主動調節，且壓縮機兩個缸的軸位移數值和推力軸承溫度都沒有明顯變化，故可排除負荷調整方面因素；二是與汽輪機通流部分結垢有關。

通過查看振動趨勢，1X幅值和1X相位均沒有明顯變化，而且對于判斷通流部分是否結垢的一個關鍵指標--輪室壓力上看，也無明顯變化，所以基本可排除結垢方面的因素。

針對推力軸承磨損方面，一是與殘余軸向力較大，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所致。為排查此問題，建議用戶利用在汽輪機轉軸上的裸露位置外接導線測量軸電壓值。

經現場人員檢測，發現在轉子旋轉時，轉子的軸電壓值在60V~80V左右，轉子上的確有軸電壓存在，由此判斷此問題與軸電流腐蝕有關。因推力軸承處存在電腐蝕現象，導致推力瓦塊表面的巴氏合金出現磨損，推力軸承抵消殘余軸向力的能力下降，軸位移和軸承溫度都出現了緩慢變化的情況。

在旋轉機械轉子系統中，大部分機組采用的都是滑動軸承，轉子在高速旋轉時與軸承之間有油膜絕緣。

由于轉子對地存在電阻，一旦帶電，就會建立起對地電壓，當電壓升高到某一數值，就會在電阻Z小的區域擊穿，發生電火花放電。而機組中Z容易出現電火花放電的部位就是在徑向軸承和推力軸承的承載面上。

對于徑向滑動軸，軸承電蝕凹坑的發展會使巴氏合金表面受到嚴重的腐蝕，這不僅會改變軸承的原有間隙，而且表面光潔度下降還會導致軸承表面的擦傷和擦痕、局部高溫和燒傷。推力軸承的電火花燒傷是油膜過薄引起的，一般推力瓦塊在電火花的侵蝕下很快磨耗。

基于此，建議機組在運行時，可嘗試降低油溫至設計下限，并提高汽輪機推力軸承處的支管油壓，以增加進油量。

4. 故障驗證

機組運行至2020年7月7日，利用停產間歇對汽輪機推力軸承進行了拆解檢查。

發現在主推力軸承側每個瓦塊的巴氏合金上，沿止推盤旋轉方向均磨出一個斜坡，瓦塊上油楔的出口端磨蝕區和非磨蝕區之間存在明顯的界線，磨蝕區已失去金屬光澤，而非磨蝕區仍保持巴氏合金原有的加工面光澤。

觀察推力盤兩側外觀也不相同，主推力側表面呈淺灰色，像噴過砂一樣沒有光澤，表面布滿了點蝕凹坑，而副推面仍保持加工面的金屬光澤。此為推力軸承出現電腐蝕的典型特征。

圖5 汽輪機主推力軸承拆解照片

軸電流的形成除了外部對轉子施加一定的電位之外，大多數則是與下面的幾種因素感應而產生的：

對于電機類轉子，產生軸電流的原因主要是磁力線分布的不對稱效應與轉軸的磁化效應。磁力線分布不對稱通常是由于疊片層的不對稱間隙引起的。除電機類轉子外，其它設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，雖非電力設備，但有時也會形成很高的軸電流。經查閱相關資料，這是一種由粒子碰撞摩擦引起的靜電效應。

對于蒸汽透平—離心壓縮機組，多數是由于濕蒸汽粒子碰撞使轉子帶電，尤其是冷凝式蒸汽透平，末幾級的濕度含量較高，水蒸氣粒子對轉子葉片的碰撞和摩擦引起的靜電效應而帶電。因此在冷凝式蒸汽透平中會比較多的遇到軸電流問題，而在背壓式蒸汽透平中較少發生。

此外，離心壓縮機和蒸汽透平轉子工作時也可能因潤滑油引起帶電，當潤滑油通過過濾器時，由于濾網通路很小，通常只有幾微米，油分子與濾網的碰撞與摩擦會導致分子帶電。當電位升高到一定值時，將在油膜電阻Z低處擊穿而產生電火花放電。

減小或消除軸電流引起的損傷，主要手段是限制軸電壓的升高，一般認為，足以引起軸電流損傷的電壓在20V以上，典型的軸承損傷電壓在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流帶來的故障。限制和降低軸電壓主要方法就是增加接地裝置，例如用炭刷使轉子對地導通，消除轉軸靜電電位。

對于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(例如改變油的黏度、改變潤滑油供應量、改變軸承速度和負荷等)也可以減小電流侵蝕的速度，實際使用證明此法有一定效果。

對于蒸汽透平產生的靜電電荷，可以用控制水蒸氣微滴的大小，改變噴嘴和葉片的材料和光潔度等，以減小液滴碰撞和摩擦起電。但是，這種措施對于已在運行中的機器往往是不現實的，它意味著需要重新設計一套防止產生軸電流的有效裝置。

針對該案例中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，消除轉子靜電電位。當然為徹底去除轉子上軸電壓，若有條件Z好將轉子返廠做測磁、消磁處理。

本文選自《沈鼓云服務 · 機組故障診斷案例集2020版》