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，采取調整透平入口蒸汽管線的辦法解決問題。
關鍵詞：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，機組轉速相應提高，運行中出現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、修刮調整上，主要檢查轉子、調整軸承間隙緊力、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廠家的技術人員，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、機組相關參數
機組蒸汽透平部分參數，型號B5S1-I，水平剖分式結構，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，額定轉速17479r/min，采用齒式聯軸器。
三、止推軸承結構
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）。此軸承構造簡單，結構緊湊，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，就可根據轉子旋向修刮瓦面油楔。
關鍵詞：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，機組轉速相應提高，運行中出現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、修刮調整上，主要檢查轉子、調整軸承間隙緊力、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廠家的技術人員，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、機組相關參數
機組蒸汽透平部分參數，型號B5S1-I，水平剖分式結構，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，額定轉速17479r/min，采用齒式聯軸器。
三、止推軸承結構
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）。此軸承構造簡單，結構緊湊，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，就可根據轉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速異常敏感，隨轉速的升高，溫度上升的速度不斷加快，轉速升至5000r/min左右時，瓦溫達85℃。繼續(xù)提高轉速，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，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，而根據透平轉子軸向力的方向判斷，應該是主推力面溫度高。
3.透平轉子熱態(tài)止推間隙受機體溫度影響較大
暖機或停機后，立即推拉透平轉子，其軸向竄量為零，而機組繼續(xù)冷卻后，軸向竄量又恢復為檢修時的冷態(tài)數值。
4.每次拆檢都發(fā)現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），使止推軸承推力面與轉子中心垂直的安裝狀態(tài)發(fā)生變化。軸瓦副推力面與轉子副推力盤發(fā)生線接觸，后者又阻礙了止推軸承的進一步歪斜（偏轉），這樣轉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）越嚴重，轉子熱態(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，軸承因摩擦產生的熱量無法及時帶走，從而導致了止推軸承副推力面溫度偏高、磨損，這與運行中表現出來的癥狀比較吻合。殼體彎曲變形后，轉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速異常敏感，隨轉速的升高，溫度上升的速度不斷加快，轉速升至5000r/min左右時，瓦溫達85℃。繼續(xù)提高轉速，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，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，而根據透平轉子軸向力的方向判斷，應該是主推力面溫度高。
3.透平轉子熱態(tài)止推間隙受機體溫度影響較大
暖機或停機后，立即推拉透平轉子，其軸向竄量為零，而機組繼續(xù)冷卻后，軸向竄量又恢復為檢修時的冷態(tài)數值。
4.每次拆檢都發(fā)現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），使止推軸承推力面與轉子中心垂直的安裝狀態(tài)發(fā)生變化。軸瓦副推力面與轉子副推力盤發(fā)生線接觸，后者又阻礙了止推軸承的進一步歪斜（偏轉），這樣轉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）越嚴重，轉子熱態(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，軸承因摩擦產生的熱量無法及時帶走，從而導致了止推軸承副推力面溫度偏高、磨損，這與運行中表現出來的癥狀比較吻合。殼體彎曲變形后，轉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，向透平外側偏移量達60mm，其中外側吊掛的彈簧斷裂。
彈簧吊掛發(fā)生較大水平偏斜，而且有一側吊掛的彈簧斷裂，是一個比較反常的現象。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，如果這個力轉移到透平殼體上，將導致透平殼體變形，對內部動靜間隙也會產生很大影響。
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，管線熱膨脹產生的變形、管線位移、熱應力，將全部轉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）到底是否存在關聯，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致了止推軸承故障。
六、解決措施及結論
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、副推力瓦溫度隨轉速變化平緩，透平轉速升至7600r/min時，主推溫度53℃，副推溫度51℃，可以隨意升降轉速。以往開機、運行過程中的所有異常現象全部消失，機組投入滿負荷生產。這證明了受管系影響發(fā)生殼體變形，進而導致止推軸承高溫的判斷正確。
2.結論
（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生的熱應力必然作用到透平殼體上，當這些荷載過大或不平衡時，將引起殼體局部應力增大甚至變形，進而導致透平內部間隙改變、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，要經常檢查，及早發(fā)現缺陷。
（3）在設備維修過程中，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，多從現象分析入手，才能把握住問題的關鍵。
（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，向透平外側偏移量達60mm，其中外側吊掛的彈簧斷裂。
彈簧吊掛發(fā)生較大水平偏斜，而且有一側吊掛的彈簧斷裂，是一個比較反常的現象。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，如果這個力轉移到透平殼體上，將導致透平殼體變形，對內部動靜間隙也會產生很大影響。
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，管線熱膨脹產生的變形、管線位移、熱應力，將全部轉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）到底是否存在關聯，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致了止推軸承故障。
六、解決措施及結論
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、副推力瓦溫度隨轉速變化平緩，透平轉速升至7600r/min時，主推溫度53℃，副推溫度51℃，可以隨意升降轉速。以往開機、運行過程中的所有異常現象全部消失，機組投入滿負荷生產。這證明了受管系影響發(fā)生殼體變形，進而導致止推軸承高溫的判斷正確。
2.結論
（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生的熱應力必然作用到透平殼體上，當這些荷載過大或不平衡時，將引起殼體局部應力增大甚至變形，進而導致透平內部間隙改變、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，要經常檢查，及早發(fā)現缺陷。
（3）在設備維修過程中，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，多從現象分析入手，才能把握住問題的關鍵。