超超臨界機組軸承失效分析

姜小龍

1 軸承工作原理及影響因素

根據潤滑理論，對于動壓滑動軸承，如果軸承負載過輕，軸承油膜過厚，油膜容易失穩而發生油膜振蕩；如果軸承負載過重，油膜容易破裂而產生軸承和軸頸局部干摩擦而使軸瓦溫度升高。為使軸承油膜不致過厚也不致過薄，即不發生油膜振蕩也不致軸瓦溫度過高，就必須找出油膜厚度與軸承負載等參數之間的關系，即通常監視的軸承溫度和振動反應油膜厚度狀態。影響油膜工作狀態的原因很多，大致分析歸類如下。

軸承鎢金澆鑄質量不良。澆鑄質量不良，結合不佳，存在脫胎現象，當承受動載荷或溫度變化時，結合不牢，脫胎現象將進一步加劇。

軸承負載分配不均。轉子中心偏差、軸承溫度和揚度變化，軸振動過大，轉子受到向下的力過大、轉速超過允許值，軸封漏汽引起軸承座標高發生變化等，都可能產生軸承載荷分配不均。

軸承球面自動調整能力差。軸承間隙過小或過大，軸承緊力過大，可傾瓦墊塊方向裝反限制活動的范圍，軸承安裝偏斜，軸承底座墊片增加的過多，軸承與軸頸揚度不一致（不同心）等，都可能使軸承球面自動調整能力變差。

軸承潤滑油油質差。汽輪機潤滑油的主要作用是潤滑軸承和減少軸承的摩擦損失以及冷卻軸承的作用。潤滑油油質的優劣將直接影響著汽輪機運行的可靠性。油溫過高或過低、潤滑油黏度不符、油流量過大或過小、回油不暢、潤滑油斷油、油質不良或油質惡化，其中潤滑油壓力過低或過高，潤滑油中雜質的進入是油質劣化的重要原因，油流中或軸承內存在氣體或雜物，頂軸油管逆止閥不嚴，油膜壓力下降等，都可使軸承溫度升高造成軸承損壞和軸徑拉傷。

2 660 MW機組軸瓦溫度高的事故簡介

某電廠的3號機組為超超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓凝汽式汽輪機機組，型號為N660-25/600/600，機組設計為1號、2號軸承可傾瓦，其余為橢圓瓦。該機組在2011年投運后1號、2號軸承溫度一直偏高，其中1號軸承溫度達104℃左右。故障首次發生在2012年的一次停機惰走過程，該機組在22:14脫扣，當機組惰走到900 r/min時，1號軸承溫度達到105℃，出現高溫報警；當轉速在60 r/min時突然下降到0，這時1號軸承溫度突升到160℃左右。這次停機惰走時間共45分鐘，比以往明顯縮短。隨后手動投入盤車，馬達電流23 A，偏心90μm，聽棒在前軸承箱處可聽到碰擦聲音。盤車投入約1小時后馬達電流恢復到正常值22 A，偏心逐漸下降到0。這過程大約在23:35結束，從1號軸承回油窗中取出片狀和條狀的烏金碎屑。解體后發現上下瓦塊的水平結合面積聚大量片狀烏金碎屑，并有部分烏金碎屑嵌在上瓦烏金面內。通過對軸承油隙的測量，估算下面兩塊軸瓦烏金至少熔掉0.4 mm，軸頸未發現點蝕和拉毛缺陷。隨后使用超聲波對該機組的所有軸瓦進行探傷檢查，發現多個軸瓦結合面有邊緣脫胎現象。檢查結果如表1。

表1 軸瓦無損探傷檢測結果表

此外有部分軸瓦出現線性顯示，但處于GB/T18329.1-2001標準允許范圍內。

3 超聲檢測可行性分析

軸瓦是由巴氏合金與鋼質基體兩種金屬結合，如圖1所示，對于粘合部位相當于異質界面，而對于未結合部位而言相當于巴氏合金與空氣相接。由于軸瓦背面鋼質基體形狀不規范，因此檢測時選擇在將探頭放在巴氏合金一側，超聲波遇到異質界面時既有透射也有反射，若超聲波由巴氏合金層到空氣界面時則會發生全反射，若異質界面是鋼則反射率R低，根據反射率公式（1）。

圖1 #3—#7軸瓦結構圖

其中P0為入射聲壓；Pr為反射聲壓；R為聲壓反射率，Z1為介質l聲阻抗；Z2為介質2聲阻抗。在錫基合金結合良好的情況下，介質2為鋼，介質1為錫基合金，由式（1）計算可知此時反射聲壓為：

在錫金合金未結合情況下，介質2為空氣，介質1為錫基合金，由式（1）計算可知此時反射聲壓為：

根據有關資料提供的數據和實測結果，取

ρ巴=7.3×103kg/m3，

C巴=3.4×103m/s，

ρ鋼=7.8×103kg/m3，

C鋼=5.9×103m/s，

代入公式（1）得：

R巴鋼=29.5%，

R巴氣=100%。

因此以巴氏合金與空氣界面的100%反射為基準，則結合部分的異質界面反射波高為29.5%，即低于30%，由于未粘合部位夾層介質的聲阻抗介于空氣和鋼之間，因此反射率會高于30%。由此得出巴氏合金的檢驗方法如下：調整靈敏度，將曲面探頭放到相應的曲面試塊上調節波形，使最高次反射波達到滿屏高100%，在增益衰減均不變的情況下在工件上檢測，若最高次反射波達到30%以上，同時在其他面能出現兩次以上回波，則此可判斷此位置為未結合部位[1]。

圖2 #1軸承溫度與調門開度的關系

4 事故分析

4.1 系統分析

事故后對機組運行工況與軸瓦溫度的變化進行了分析，發現1號軸瓦金屬溫度與負荷、調門開度、調節方式等有密切關系，在不同的負荷段，該軸瓦溫度與負荷之間有相反的變化的關系：在負荷小于600 MW時，軸瓦溫度隨負荷的增加而增加，而在大于600 MW以后，軸瓦溫度卻隨負荷增加而降低。由圖2可以發現：負荷低于600 MW時，4號調門全閉，1、2號調門隨負荷增加而開大，3號調門開度雖然較小，但到600 MW以上時也隨負荷增加而開大，軸瓦金屬溫度峰值出現在3號調門開大而4號調門未開時。在負荷大于600 MW以后，1、2號調門全開，3號調門開度達到15%，4號調門開啟，之后隨負荷增加3、4號調門逐漸開大，在這個階段軸瓦金屬溫度出現隨負荷增大而降低的趨勢。當機組在全周進汽方式運行時，即四個調門開度一致時，負荷的變化不會引起軸瓦金屬溫度的變化，始終為85℃左右。由上面分析可知，1號軸瓦溫度與調門開啟過程有明顯的關系。

圖3 #1軸承高壓調門分布

1號軸瓦采用的是自位式可傾瓦，共有4塊軸瓦，其位置同圖3所示的噴嘴弧段位置一致，軸瓦的溫度測點在右下半底部瓦塊上。該種軸承適用于溫度變化較大的場合，但為了適應轉子傾角的變化，對轉子中心度有較高要求。當機組采用噴嘴調節時，調速汽門相應開啟，蒸汽進入不同的噴嘴弧段，通過調節級葉片做功，這時軸承上承受的負載的大小和方向是處于變化狀態的。在1號、2號調門同步開啟過程中，轉子受向下的作用力，隨著1號、2號調門開大，軸瓦負載變大，溫度升高。但3號調門開啟后，轉子又受到一個指向右上方的作用力而使轉子向右下方偏移，使右下部瓦塊的負載變大，導致軸瓦溫度進一步升高。隨著4號調門開啟后，轉子的偏移量得到扼制，亦改善了軸瓦的偏載量，因此軸瓦溫度開始下降。1號軸瓦下部兩塊瓦塊溫度和調門開度的關系如圖4所示，圖4中可以清楚看出兩塊瓦塊的溫度差異。因此換成部分進汽方式后，1號軸瓦溫度會明顯升高，且隨部分進汽量的改變而變化。進汽方式的變化以及部分進汽量的改變，相應改變了原來作用在1號軸瓦上的均勻分布載荷，這種不平衡達到一定程度后，油膜穩定性被破壞，從而導致軸瓦溫度的突然升高。

圖4 #1軸瓦下部兩塊瓦塊溫度和調門開度的關系

表2 下瓦巴氏合金化學成分質量分數表%

考慮到在同型號的其他機組中也出現1號軸瓦溫度過高的情況，這說明該類機組的1號軸瓦在工作穩定性設計上是可能存在問題的。查閱廠家圖紙發現該型號機組在設計上1號軸承沒有頂軸油，由于轉子太重，轉動時軸頸在軸承內無法形成油膜或者油膜不穩定，可能導致1號軸瓦運行中溫度偏高。為了維持和提高運行中軸瓦工作穩定性，保持良好的潤滑，經與廠家商榷，變更設計，增加頂軸油，適當放大1號軸瓦的潤滑油進油節流孔板孔徑，加大該軸瓦的供油應是一個可行的方法。另外1號軸瓦烏金磨損在低轉速下即油膜失穩后加劇，分析原因主要是該機組主機油溫切換目前是定在轉速為900 r/min時進行，即轉速在900 r/min以上油溫為42℃，900 r/min以下為35℃。機組冷態啟動時，由于須在1 900 r/min進行中速暖機，所以油溫的提高有足夠的時間，而在停機轉子惰走中，由于無中間轉速停留，油溫下降的速度相對滯后于轉速的下降，易發生低轉速下油膜破壞現象。所以可以適當提高油溫的切換轉速值來改變這種問題的發生[2]。

4.2 理化分析

針對其他瓦塊出現脫胎現象，使用752型紫外可見光光度計對脫胎的下瓦合金層取樣進行了化學成分和金相分析，化學分析結果見表2，其中軸瓦合金材料為：ZSnSb12Cu6Cdl。

由表2可見到銻含量滿足標準要求；兩次檢驗銅含量均超出了標準要求上限，鎳、鎘和砷含量均低于標準要求的下限，雜質元素鉛和鋅含量均超出了標準要求的上限。軸瓦下瓦錫基合金元素總量明顯偏離了標準要求。因此汽輪機軸瓦下瓦巴氏合金化學成分明顯偏離標準要求。

圖5 巴氏合金基體金相組織

此外對巴氏合金層基體和靠近結合面處取試樣進行金相試驗。在顯微組織中可觀察到合金組織如圖5所示，分三種：黑色基體、白色方形和白色顆粒，根據最新金相圖譜大全分析判斷黑色基體為α固溶體、白色方形相為β(SnSb)、白色小顆粒相為ε（Cu6Sn5）。由下瓦靠近結合面處金相試樣分析可看到，如圖6所示，組織中化合物在靠近結合面處存在厚度不均勻的連續的β相層+零星淺色顆粒或斷續的淺色層，存在輕度偏析[3]。β相硬而脆，在結合面處存在連續并且厚度不均勻的β相有可能會降低界面的結合強度。合金層與鋼背結合處附近合金層的顯微組織對軸瓦的粘合強度影響很大，硬而脆的ε和β相如偏聚在結合面附近，容易構成脆性帶，當軸瓦受沖擊載荷時，合金層容易剝落。

圖6 巴氏合金靠近結合面處金相組織

由化學分析可知，下瓦銅元素含量明顯超標，ε相比例增加，這導致合金強度增加，但同時塑性和韌性卻大大降低，合金抗交變和抗沖擊載荷作用的能力降低，影響巴氏合金與鋼質基體的結合質量，容易碎裂和剝落。此外，鑄造溫度一般只需高出初晶溫度50℃～100℃即可，而ε相結晶溫度是隨銅含量變化的，所以鑄造溫度一般由銅含量決定。銅含量超標容易使得根據名義成分確定的澆鑄溫度可能顯著低于實際成分對應的最佳澆鑄溫度，從而影響合金層的澆鑄質量。合金層中含有過多的鉛將降低合金的沖擊韌度及高溫性能。鋅含量的變化會明顯影響β相的變形和聚集。綜合以上化學分析及金相分析得知，下瓦錫基巴氏合金元素總量超出標準要求，β相在靠近結合面處出現輕度偏析等導致下瓦巴氏合金層出現脫胎[4]。

5 結論

5.1 運行方面

機組啟動和正常運行中，將軸承溫度作為重要的監視參數，并且根據機組工況變化，分析變化趨勢，與歷史數據、控制數值、機組首次安裝啟動或與大修后數值對比，進行風險分析和預控。調速汽門開啟順序優化，既要考慮軸承載荷又要考慮轉子穩定性；機組油溫和壓力保持在正常范圍內，油質符合規定；軸封壓力保持在正常范圍內，保證不外漏和油中不進水。

5.2 檢修工藝

制定嚴格的軸承檢修工藝標準，按照檢修文件來進行，加強人員的培訓和學習。軸承承載力按照設計負荷進行分配，軸承重載比軸承輕載抗氣流激振性能強，提高軸承的穩定性，軸承檢修后各部間隙、進油流量、接觸面積、軸瓦緊力，軸系揚度、軸承載荷等負荷檢修工藝規程。汽封間隙要合理，符合制造廠規定，間隙過大軸封漏汽過大、加熱軸承座，使軸承座標高抬高，尤其#2軸瓦，使#1軸瓦承載力減小，穩定下降。

5.3 制造工藝

在制造過程中應加強對軸瓦材料質量及制造過程的控制，防止產生軸瓦掛錫層，從而預防剝落現象發生。在錫基軸承合金中，由于α、β、ε三種相間存在比重差別，當離心鑄造時，在離心力的作用下，比重大的ε相于外層析出較多，而比重小的β相則在內層出現，因此容易構成偏析。為防止此類缺陷的產生，可采取如下的措施：在澆鑄前盡力攪拌溶液，使其均勻分布而ε相不致下沉；或在采用離心鑄造時，根據軸承的大小，選擇適當的轉速來改善比重偏析。

［1］國家能源局.汽輪發電機合金軸瓦超聲波檢測［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［2］汪玉林.汽輪機設備運行及事故處理［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［3］高強.最新有色金屬金相圖譜大全［M］.北京：中國冶金工業出版社，2005.

［4］巴發海，李晉升，龔應時.核電站大型巴氏合金軸瓦失效分析［J］.理化檢驗—物理分冊，2006，42（7）：355-359.