蒸汽透平止推軸承高溫報警的診治
2009-11-13
作者：孫茂財
（山東東營勝利油田石化總廠）
（山東東營勝利油田石化總廠）
摘 要：對蒸汽透平止推軸承副下瓦超溫報警，探尋故障原因，采取調(diào)整透平入口蒸汽管線的辦法解決問題。
關(guān)鍵詞：蒸汽透平；止推軸承；高溫
一、前言
勝利油田石化總廠50×104t/a柴油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機，由德國BORSIG公司提供，采用蒸汽透平驅(qū)動。自投用以來一直存在蒸汽透平止推軸承下瓦副推力面受力較大的現(xiàn)象，每次拆檢止推軸承，下瓦副推力面上都有一層瓦面高溫引起的焦狀物，但軸瓦溫度仍在報警值以下（報警值90℃）。裝置進行擴能改造后，機組轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高，運行中出現(xiàn)止推軸承副下瓦超溫報警問題，Z高時達105℃，為保證機組安全，只能降轉(zhuǎn)速運行。
歷次搶修都將解決問題的重點放在了軸承的安裝、修刮調(diào)整上，主要檢查轉(zhuǎn)子、調(diào)整軸承間隙緊力、研配軸承止推面接觸面、修刮軸瓦油楔，對中找正等常規(guī)項目，甚至還請來了其他煉廠的專家乃至壓縮機生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員，但都無功而返。直到2007年9月，終于找到了病根，并成功根治。
二、機組相關(guān)參數(shù)
機組蒸汽透平部分參數(shù)，型號B5S1-I，水平剖分式結(jié)構(gòu)，輸出功率476kW（Z大525kW），進汽壓力3.5MPa（Z大3.7MPa），進汽溫度390℃（Z高410℃），額定轉(zhuǎn)速8571r/min。增速箱型號GX-22，增速比2.039。壓縮機型號GC355/8，額定轉(zhuǎn)速17479r/min，采用齒式聯(lián)軸器。
三、止推軸承結(jié)構(gòu)
故障軸承為固定式止推軸承，分為上下兩塊組成一個環(huán)狀整體，瓦塊之間有一定寬度的排油槽（圖1）。此軸承構(gòu)造簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，常用于軸向力較小、安裝空間狹小的場合，但推力瓦塊不能自動調(diào)整，所以要求檢修研配工藝很嚴格，要求每塊瓦塊與推力盤接觸面積盡量一致，否則工作瓦面就不能平均受力，造成局部過熱燒損。瓦面研刮到接觸程度均勻一致后，就可根據(jù)轉(zhuǎn)子旋向修刮瓦面油楔。
關(guān)鍵詞：蒸汽透平；止推軸承；高溫
一、前言
勝利油田石化總廠50×104t/a柴油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機，由德國BORSIG公司提供，采用蒸汽透平驅(qū)動。自投用以來一直存在蒸汽透平止推軸承下瓦副推力面受力較大的現(xiàn)象，每次拆檢止推軸承，下瓦副推力面上都有一層瓦面高溫引起的焦狀物，但軸瓦溫度仍在報警值以下（報警值90℃）。裝置進行擴能改造后，機組轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高，運行中出現(xiàn)止推軸承副下瓦超溫報警問題，Z高時達105℃，為保證機組安全，只能降轉(zhuǎn)速運行。
歷次搶修都將解決問題的重點放在了軸承的安裝、修刮調(diào)整上，主要檢查轉(zhuǎn)子、調(diào)整軸承間隙緊力、研配軸承止推面接觸面、修刮軸瓦油楔，對中找正等常規(guī)項目，甚至還請來了其他煉廠的專家乃至壓縮機生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員，但都無功而返。直到2007年9月，終于找到了病根，并成功根治。
二、機組相關(guān)參數(shù)
機組蒸汽透平部分參數(shù)，型號B5S1-I，水平剖分式結(jié)構(gòu)，輸出功率476kW（Z大525kW），進汽壓力3.5MPa（Z大3.7MPa），進汽溫度390℃（Z高410℃），額定轉(zhuǎn)速8571r/min。增速箱型號GX-22，增速比2.039。壓縮機型號GC355/8，額定轉(zhuǎn)速17479r/min，采用齒式聯(lián)軸器。
三、止推軸承結(jié)構(gòu)
故障軸承為固定式止推軸承，分為上下兩塊組成一個環(huán)狀整體，瓦塊之間有一定寬度的排油槽（圖1）。此軸承構(gòu)造簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，常用于軸向力較小、安裝空間狹小的場合，但推力瓦塊不能自動調(diào)整，所以要求檢修研配工藝很嚴格，要求每塊瓦塊與推力盤接觸面積盡量一致，否則工作瓦面就不能平均受力，造成局部過熱燒損。瓦面研刮到接觸程度均勻一致后，就可根據(jù)轉(zhuǎn)子旋向修刮瓦面油楔。
四、故障特征
1.軸瓦高溫主要發(fā)生在下瓦副推力面上
下瓦副推力面溫度對轉(zhuǎn)速異常敏感，隨轉(zhuǎn)速的升高，溫度上升的速度不斷加快，轉(zhuǎn)速升至5000r/min左右時，瓦溫達85℃。繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則副下瓦溫度會急劇上升并造成軸承副推力面磨損，而上瓦副推力面和主推力面上、下溫度變化平緩，一般≤65℃。
2.軸瓦損傷主要集中在下瓦副推力面上
檢修過程中發(fā)現(xiàn)，每次都是下瓦副推力面巴氏合金磨損，而且越接近推力面下緣，磨損越嚴重。增大供油量、降低油溫、提高油壓對軸承溫度影響很小。止推軸承副推力面溫度比主推力面溫度高得多，而根據(jù)透平轉(zhuǎn)子軸向力的方向判斷，應(yīng)該是主推力面溫度高。
3.透平轉(zhuǎn)子熱態(tài)止推間隙受機體溫度影響較大
暖機或停機后，立即推拉透平轉(zhuǎn)子，其軸向竄量為零，而機組繼續(xù)冷卻后，軸向竄量又恢復(fù)為檢修時的冷態(tài)數(shù)值。
4.每次拆檢都發(fā)現(xiàn)推力瓦面有接觸不良的跡象
檢修時，盡管推力盤與主、副推力瓦研配后，用著色法檢查接觸都很好，但每次拆檢，推力瓦面都出現(xiàn)接觸不良的跡象。止推軸承下瓦的副推力面外緣磨損較大，上瓦副推力面較好，而主推力面下瓦較好，上瓦僅有輕微接觸痕跡。
五、查找故障原因
用常規(guī)方法，已無法解決故障軸承存在的問題。因此，懷疑以往解決問題的過程，可能存在方向性錯誤。故對止推軸承高溫故障異常特征再三研判，認為新的判斷可以合理解釋故障特征。
1.止推軸承無法形成正常油膜
如果是止推軸承無法形成正常油膜，應(yīng)不是軸承自身問題，可能是其他隱避問題的影響。
2.透平熱態(tài)止推軸承推力間隙發(fā)生變化
這一點可以推斷透平缸體熱態(tài)發(fā)生了彈性彎曲變形，透平的正常線性熱膨脹，是不會影響到止推軸承推力間隙的。
3.透平殼體發(fā)生較大變形
透平殼體發(fā)生較大向上彎曲的彈性變形，可以誘發(fā)止推軸承故障。殼體如果發(fā)生向上的較大彎曲變形，將牽動軸承箱帶動兩端軸承安裝位置發(fā)生歪斜（偏轉(zhuǎn)），使止推軸承推力面與轉(zhuǎn)子中心垂直的安裝狀態(tài)發(fā)生變化。軸瓦副推力面與轉(zhuǎn)子副推力盤發(fā)生線接觸，后者又阻礙了止推軸承的進一步歪斜（偏轉(zhuǎn)），這樣轉(zhuǎn)子副推力盤會給止推軸承副推力面一個局部作用力。
殼體彈性變形越大，止推軸承歪斜（偏轉(zhuǎn)）越嚴重，轉(zhuǎn)子熱態(tài)推力間隙越小，越不能形成正常的油膜潤滑，推力面局部發(fā)生干摩擦就越嚴重，軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量無法及時帶走，從而導(dǎo)致了止推軸承副推力面溫度偏高、磨損，這與運行中表現(xiàn)出來的癥狀比較吻合。殼體彎曲變形后，轉(zhuǎn)子與軸承相對位置變化如圖2所示。
1.軸瓦高溫主要發(fā)生在下瓦副推力面上
下瓦副推力面溫度對轉(zhuǎn)速異常敏感，隨轉(zhuǎn)速的升高，溫度上升的速度不斷加快，轉(zhuǎn)速升至5000r/min左右時，瓦溫達85℃。繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則副下瓦溫度會急劇上升并造成軸承副推力面磨損，而上瓦副推力面和主推力面上、下溫度變化平緩，一般≤65℃。
2.軸瓦損傷主要集中在下瓦副推力面上
檢修過程中發(fā)現(xiàn)，每次都是下瓦副推力面巴氏合金磨損，而且越接近推力面下緣，磨損越嚴重。增大供油量、降低油溫、提高油壓對軸承溫度影響很小。止推軸承副推力面溫度比主推力面溫度高得多，而根據(jù)透平轉(zhuǎn)子軸向力的方向判斷，應(yīng)該是主推力面溫度高。
3.透平轉(zhuǎn)子熱態(tài)止推間隙受機體溫度影響較大
暖機或停機后，立即推拉透平轉(zhuǎn)子，其軸向竄量為零，而機組繼續(xù)冷卻后，軸向竄量又恢復(fù)為檢修時的冷態(tài)數(shù)值。
4.每次拆檢都發(fā)現(xiàn)推力瓦面有接觸不良的跡象
檢修時，盡管推力盤與主、副推力瓦研配后，用著色法檢查接觸都很好，但每次拆檢，推力瓦面都出現(xiàn)接觸不良的跡象。止推軸承下瓦的副推力面外緣磨損較大，上瓦副推力面較好，而主推力面下瓦較好，上瓦僅有輕微接觸痕跡。
五、查找故障原因
用常規(guī)方法，已無法解決故障軸承存在的問題。因此，懷疑以往解決問題的過程，可能存在方向性錯誤。故對止推軸承高溫故障異常特征再三研判，認為新的判斷可以合理解釋故障特征。
1.止推軸承無法形成正常油膜
如果是止推軸承無法形成正常油膜，應(yīng)不是軸承自身問題，可能是其他隱避問題的影響。
2.透平熱態(tài)止推軸承推力間隙發(fā)生變化
這一點可以推斷透平缸體熱態(tài)發(fā)生了彈性彎曲變形，透平的正常線性熱膨脹，是不會影響到止推軸承推力間隙的。
3.透平殼體發(fā)生較大變形
透平殼體發(fā)生較大向上彎曲的彈性變形，可以誘發(fā)止推軸承故障。殼體如果發(fā)生向上的較大彎曲變形，將牽動軸承箱帶動兩端軸承安裝位置發(fā)生歪斜（偏轉(zhuǎn)），使止推軸承推力面與轉(zhuǎn)子中心垂直的安裝狀態(tài)發(fā)生變化。軸瓦副推力面與轉(zhuǎn)子副推力盤發(fā)生線接觸，后者又阻礙了止推軸承的進一步歪斜（偏轉(zhuǎn)），這樣轉(zhuǎn)子副推力盤會給止推軸承副推力面一個局部作用力。
殼體彈性變形越大，止推軸承歪斜（偏轉(zhuǎn)）越嚴重，轉(zhuǎn)子熱態(tài)推力間隙越小，越不能形成正常的油膜潤滑，推力面局部發(fā)生干摩擦就越嚴重，軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量無法及時帶走，從而導(dǎo)致了止推軸承副推力面溫度偏高、磨損，這與運行中表現(xiàn)出來的癥狀比較吻合。殼體彎曲變形后，轉(zhuǎn)子與軸承相對位置變化如圖2所示。
如果能找出引起透平殼體產(chǎn)生熱態(tài)彎曲變形的原因，也就找到了解決問題的辦法。有3種情況可能會導(dǎo)致透平殼體變形。
（1）透平自身熱膨脹受阻。每次檢修時都清理透平滑銷系統(tǒng)以及打表測量，發(fā)現(xiàn)透平自身熱膨脹自由，沒有受到阻礙，開（停）機時伸縮自如。
（2）透平上下汽缸溫差過大。汽缸保溫不良會造成缸體向下彎曲（駝背），使透平動靜部分間隙發(fā)生變化，但通過加強保溫措施，盡量減小透平上下汽缸溫差。機組運行時，現(xiàn)場測量上下汽缸溫差＜10℃，該溫差引起的缸體變形不足以使軸瓦推力間隙消失。
（3）外力作用引起殼體變形。首先懷疑到透平蒸汽管線。對透平入口、出口蒸汽管線檢查，發(fā)現(xiàn)機組平臺以下，透平蒸汽入口管線彈簧吊掛發(fā)生較大水平偏斜，向透平外側(cè)偏移量達60mm，其中外側(cè)吊掛的彈簧斷裂。
彈簧吊掛發(fā)生較大水平偏斜，而且有一側(cè)吊掛的彈簧斷裂，是一個比較反常的現(xiàn)象。至少可以說明彈簧吊掛受到了不該受的力，或者其受力已超過其承載能力，如果這個力轉(zhuǎn)移到透平殼體上，將導(dǎo)致透平殼體變形，對內(nèi)部動靜間隙也會產(chǎn)生很大影響。
基于此分析，對透平入口蒸汽管線進行梳理，發(fā)現(xiàn)在入口管線上，缺少限制管線膨脹移動的限制點。因為缺少這樣一個固定支架，管線熱膨脹產(chǎn)生的變形、管線位移、熱應(yīng)力，將全部轉(zhuǎn)移到彈簧吊掛和透平入口法蘭上。當彈簧吊掛不能承受重負發(fā)生彈簧斷裂后，作用在透平入口法蘭上的力會更大，極可能使殼體發(fā)生變形。
管線的異常與透平止推軸承高溫（磨損）到底是否存在關(guān)聯(lián)，在對透平入口法蘭受力進行分析后，確定法蘭受力方向與上述透平殼體熱態(tài)彎曲變形方向一致，可以判斷就是此力導(dǎo)致了止推軸承故障。
六、解決措施及結(jié)論
1.措施
在透平入口蒸汽管線上，安裝固定托架。更換損壞的彈簧吊掛。為盡量吸收管線熱變形，在透平入口蒸汽管線上，新增加一段膨脹彎。重新配管、找正，確保透平入口法蘭中心對正、法蘭面平行。對止推軸承簡單修刮，不做調(diào)整（目的是想檢驗故障原因判斷的準確性）。
按正常程序開機，止推軸承溫度正常，主推力面溫度比副推力面溫度高1～2℃，主、副推力瓦溫度隨轉(zhuǎn)速變化平緩，透平轉(zhuǎn)速升至7600r/min時，主推溫度53℃，副推溫度51℃，可以隨意升降轉(zhuǎn)速。以往開機、運行過程中的所有異常現(xiàn)象全部消失，機組投入滿負荷生產(chǎn)。這證明了受管系影響發(fā)生殼體變形，進而導(dǎo)致止推軸承高溫的判斷正確。
2.結(jié)論
（1）與蒸汽透平機相連的蒸汽管道，由于操作溫度遠遠高于安裝溫度，在操作時因熱脹而產(chǎn)生的熱應(yīng)力必然作用到透平殼體上，當這些荷載過大或不平衡時，將引起殼體局部應(yīng)力增大甚至變形，進而導(dǎo)致透平內(nèi)部間隙改變、動靜部分摩擦、振動增大。為此，必須控制作用在蒸汽透平機上的外力，使其不超過允許的范圍，合理配管及正確使用支、吊架，是達到此目的的重要手段。
（2）對與壓縮機組相連，溫度變化較大的管線、支吊架等附件，要經(jīng)常檢查，及早發(fā)現(xiàn)缺陷。
（3）在設(shè)備維修過程中，對多次解決不了的問題，要廣開思路、發(fā)散思維，不能鉆牛角尖，多從現(xiàn)象分析入手，才能把握住問題的關(guān)鍵。
（1）透平自身熱膨脹受阻。每次檢修時都清理透平滑銷系統(tǒng)以及打表測量，發(fā)現(xiàn)透平自身熱膨脹自由，沒有受到阻礙，開（停）機時伸縮自如。
（2）透平上下汽缸溫差過大。汽缸保溫不良會造成缸體向下彎曲（駝背），使透平動靜部分間隙發(fā)生變化，但通過加強保溫措施，盡量減小透平上下汽缸溫差。機組運行時，現(xiàn)場測量上下汽缸溫差＜10℃，該溫差引起的缸體變形不足以使軸瓦推力間隙消失。
（3）外力作用引起殼體變形。首先懷疑到透平蒸汽管線。對透平入口、出口蒸汽管線檢查，發(fā)現(xiàn)機組平臺以下，透平蒸汽入口管線彈簧吊掛發(fā)生較大水平偏斜，向透平外側(cè)偏移量達60mm，其中外側(cè)吊掛的彈簧斷裂。
彈簧吊掛發(fā)生較大水平偏斜，而且有一側(cè)吊掛的彈簧斷裂，是一個比較反常的現(xiàn)象。至少可以說明彈簧吊掛受到了不該受的力，或者其受力已超過其承載能力，如果這個力轉(zhuǎn)移到透平殼體上，將導(dǎo)致透平殼體變形，對內(nèi)部動靜間隙也會產(chǎn)生很大影響。
基于此分析，對透平入口蒸汽管線進行梳理，發(fā)現(xiàn)在入口管線上，缺少限制管線膨脹移動的限制點。因為缺少這樣一個固定支架，管線熱膨脹產(chǎn)生的變形、管線位移、熱應(yīng)力，將全部轉(zhuǎn)移到彈簧吊掛和透平入口法蘭上。當彈簧吊掛不能承受重負發(fā)生彈簧斷裂后，作用在透平入口法蘭上的力會更大，極可能使殼體發(fā)生變形。
管線的異常與透平止推軸承高溫（磨損）到底是否存在關(guān)聯(lián)，在對透平入口法蘭受力進行分析后，確定法蘭受力方向與上述透平殼體熱態(tài)彎曲變形方向一致，可以判斷就是此力導(dǎo)致了止推軸承故障。
六、解決措施及結(jié)論
1.措施
在透平入口蒸汽管線上，安裝固定托架。更換損壞的彈簧吊掛。為盡量吸收管線熱變形，在透平入口蒸汽管線上，新增加一段膨脹彎。重新配管、找正，確保透平入口法蘭中心對正、法蘭面平行。對止推軸承簡單修刮，不做調(diào)整（目的是想檢驗故障原因判斷的準確性）。
按正常程序開機，止推軸承溫度正常，主推力面溫度比副推力面溫度高1～2℃，主、副推力瓦溫度隨轉(zhuǎn)速變化平緩，透平轉(zhuǎn)速升至7600r/min時，主推溫度53℃，副推溫度51℃，可以隨意升降轉(zhuǎn)速。以往開機、運行過程中的所有異常現(xiàn)象全部消失，機組投入滿負荷生產(chǎn)。這證明了受管系影響發(fā)生殼體變形，進而導(dǎo)致止推軸承高溫的判斷正確。
2.結(jié)論
（1）與蒸汽透平機相連的蒸汽管道，由于操作溫度遠遠高于安裝溫度，在操作時因熱脹而產(chǎn)生的熱應(yīng)力必然作用到透平殼體上，當這些荷載過大或不平衡時，將引起殼體局部應(yīng)力增大甚至變形，進而導(dǎo)致透平內(nèi)部間隙改變、動靜部分摩擦、振動增大。為此，必須控制作用在蒸汽透平機上的外力，使其不超過允許的范圍，合理配管及正確使用支、吊架，是達到此目的的重要手段。
（2）對與壓縮機組相連，溫度變化較大的管線、支吊架等附件，要經(jīng)常檢查，及早發(fā)現(xiàn)缺陷。
（3）在設(shè)備維修過程中，對多次解決不了的問題，要廣開思路、發(fā)散思維，不能鉆牛角尖，多從現(xiàn)象分析入手，才能把握住問題的關(guān)鍵。
