正確識別轉動設備軸承金屬溫度異常及軸承故障

潘 煒

（ 華電哈爾濱熱電有限責任公司，哈爾濱 150046）

1 正確進行設備故障診斷的首要條件

轉動設備在運行中要通過一些的監視測點來觀察其正常與否，軸承溫度是一個重要的監測參數。正確判別軸承金屬溫度異常的真偽，是進行正確的故障診斷，進而正確進行處理的首要條件。

測量儀表是進行設備運行監視的眼睛，是進行故障分析的依據。但測量儀表也是設備，也存在發生故障的可能。如何正確通過測量參數的異常變化，來判別是機務設備本身的故障，還是測量設備的故障，這是正確處理異常問題的首要條件。錯誤的判別將導致錯誤的處理結果，導致不該發生的事故或差錯。不論是依靠自動調節或保護系統來實現，還是采用人工干預的方法都是如此。

那么，如何判別是測量儀表故障還是機械設備故障呢?這就要從其本質的規律去研究。測量儀表屬于電工電子學科范疇，機械設備屬于工程物理學范疇，二類設備的正常工作和異常狀態特性必定符合各自學科的客觀規律［3－4］。

2 某機組非計劃停運概況

2007年 1月 11日，機組因 4號瓦溫度4TE3220－DEH跳變到167℃，4號瓦溫度保護動作，汽機跳閘、鍋爐MFT，發電機解列，中斷了機組380 d的長周期運行的紀錄。事后經檢查，事發只因為該測溫元件的測量回路，可能因長期運行線路絕緣受損，導致測量信號跳變。由一起小小的儀表測量系統故障，導致了機組非計劃停運的發生，實在令人扼腕嘆息。

3 溫度測量方面可能出現的故障及其特征

3.1 溫度測量概況

溫度測量分為就地測量和遠傳測量二種，就地測量多采用膨脹式溫度計，包括液體玻璃溫度計、固體溫度計和壓力式溫度計。遠傳測量包括熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、輻射式溫度計、數字式溫度計等。其中熱電偶溫度計和熱電阻溫度計在遠傳測量中被廣泛采用，一般來說300℃以上的大都采用熱電偶溫度計，300℃以下的大都采用熱電阻溫度計，4號機組4號瓦溫度采用的就是熱電阻溫度計。

3.2 熱電阻法溫度測量可能存在的故障或隱患

3.2.1 測溫元件制做

熱電阻法測是利用一些材料的電阻隨溫度變化的特性，借電阻測量感溫元件電阻的測量，來確定被測溫度。熱電阻測溫元件采用的線徑極細的高強度漆包銅絲(或鉑絲)在拉制過程中，可能會拉力不均產生先天缺陷。在涂絕緣材料過程中可能會出現漏涂或涂層不均的情況。熱電阻測溫元件為消除電感效應，一般采用雙線并繞，在繞制過程中，也會產生新的傷痕、應力或絕緣損壞。在消除拉制和繞制應力以及老化篩選后，可能還會有剩余應力。在繞制后與傳導引線的焊接，因焊點極小，焊接質量也會出現問題。盡管現在測溫元件已用自動化生產，出現缺陷的可能性已大幅度降低，但隨著測溫元件小型化進程，測溫元件本身的問題徹底消除是很難做到的。

3.2.2 測溫元件安裝

以汽輪機軸承金屬溫度測量為例，要實現遠程測量，要將埋在軸瓦中的測點位置，引到集控室，有許多環節會影響正常的測量。首先是在軸承箱內引線的走向，既要沿比較隱蔽的位置布線，防止檢修誤碰和油流沖刷，又要考慮測溫元件安裝就位后，機務檢修的方便，防止在軸瓦就位過程中不被壓傷壓斷傳輸導線。在軸瓦和瓦枕跨越時要留一定長度的導線，保證其自由度，防止運行中因軸瓦微小移動(軸瓦自位轉動或隨轉子膨脹移動)而拉斷。引線用線卡固定或穿保護套管時，要注意不要損傷導線。在穿出軸承箱時，采用的航空插頭插座的接觸電阻及兩導線焊接質量也是影響熱電阻測量的關鍵因素之一。在長期運行中，測溫元件及傳輸導線在長期的油液、油煙的浸泡下，絕緣材料會老化，測溫元件與傳輸導線的焊接點、傳輸導線與航空插頭插座的焊接點，也可能出現接觸電阻增加或接觸不良的情況。測溫元件及傳輸導線因磨損出現故障的現象也是難免的。另外，為避免現場干擾而采用的屏蔽導線，在安裝和運行過程中也會出現屏蔽層破損、測溫元件或傳輸導線與屏蔽層絕緣損壞，導致接地或抗干擾性下降的情況。

3.2.3 傳輸導線的安裝

從軸承箱引出后一般要經過就地端子箱、集控室控制柜二次端子排和測量儀表表后端子接線排(或插座)等三處以上的接線，這些地方的端子接觸電阻，亦包含在反映溫度的總回路電阻中，如有一處接觸不良，所反映的溫度則是偏高的。另外熱電阻測量回路的傳輸導線屬于弱電電纜，容易受到強磁場干擾。如電纜排列全程不能有效做到強弱電纜分井排放，很容易受到干擾。

3.2.4 測量回路

熱電阻法溫度測量一般采用電橋法將熱電阻變化信號，轉換成不平衡電壓信號，然后采用適當方式進行溫度顯示。因軸瓦到集控室的傳輸導線比較長，傳輸導線受環境溫度變化的影響，其線路電阻的阻值會隨之改變，影響被測對象的正常測量。為克服這一缺點，在采用電橋法測量時，一般采用三線制接線，從測溫元件引出點處就實行三線制，把兩根傳輸導線的電阻分別放在電橋的兩個橋臂上，使兩根傳輸導線的線路電阻受環境溫度的影響相互完全抵消，當兩側線路電阻不一致時，還將線路電阻配足到規定的阻值。在實際接線時，部分測點不是采用完全的三線制，如從航空插頭或就地端子箱之后再采用三線制，這樣在此點之前的線路電阻將被接到電橋的同一橋臂，此線路電阻隨環境溫度的變化對測量精度會造成影響。另外，人工配制的線路電阻的精度、質量也是影響測量的一個因素。

3.2.5 溫度測量二次儀表及信號轉換

隨著熱工測量技術的飛速發展，溫度測量二次儀表及信號轉換技術更新換代非常之快，但不論如何發展，將測量元件的熱電阻值信號，轉換成模擬量或數字量信號，直到反映出真實的被測溫度，總存在著產生測量誤差的隱患，存在包括二次儀表裝置本身故障在內的故障隱患。

綜上所述，在根據測量儀表(裝置或信號)反映的溫度，進行設備監視、調整、保護的過程中，應充分認識到測量系統存在的可靠性問題，可能會對需要的動作造成的誤導。

3.3 熱電阻法溫度測量故障的故障特征

測量設備在上述環節可能出現的故障，有著其與機務設備故障不同的特殊規律性，一般可以根據故障特征的規律進行判斷。對于熱電阻測量法，應具有電工電子學科所具有的以下特點。

3.3.1 斷路故障

這是最常見的故障之一，當斷路發生后，測量回路電阻值達到最大，反映的溫度值將達到二次儀表量程的最大值。變化速率往往是瞬間發生。有些具有斷阻保護的測量系統中，輸出值為零，或有斷阻報警功能。

3.3.2 短路故障

這也是最常見的故障之一，當短路發生后，測量回路電阻值視短路發生點的位置而定，如測量元件外部短路，反映的溫度的電阻值將為零，線路電阻分別在電橋二臂，電橋失去平衡，輸出為反向不平衡電壓，溫度顯示為二次儀表量程的最小值。當測量元件內部匝間短路時，視短路的情況而定，電阻值的減小也是瞬間突變的。有些具有短路保護的測量系統中也有報警功能。

3.3.3 接地故障

此類故障發生在測量回路某點與測量對象或屏蔽層絕緣到零，出現接地現象，其現象要視接地發生點而論，電橋的輸出或突然增大，或突然反向輸出不平衡電壓，溫度顯示為二次儀表量程的最大或最小值。

3.3.4 緩變現象

此類故障發生不多，一般發生在不完全的三線制的測量回路中，他會受環境溫度的緩慢變化影響，變化速度極慢，變化規律隨季節變化而變。一般情況較難發現。對測量的影響較小。另外，因測溫元件溫阻特性改變，可能使測量誤差出現漂移，但出現這種情況的概率和產生的誤差都是極小的。

3.3.5 擾動故障

擾動故障一般有兩種，一種是因測量系統接觸不良引起的，它又有斷路接觸不良和短路接觸不良兩種。另一種是受強電干擾引起的。

當測量系統接觸不良時，要視接觸點松動的情況而定。呈現跳升或突降現象，變化幅度要視接觸不良情況而變，接觸不良發生時，接觸點松動情況一般是不可逆的，只會越來越松，所以變化幅度越來越大，頻率越來越高，最終斷路或短路。

測量系統受強電干擾時，測量信號的變化幅度要視干擾強度而定，一般能夠測量到高次諧波。

另外，熱電偶溫度測量系統的各種故障特征也具有與軸承故障明顯不同，與熱電阻溫度測量系統相似的故障特征，這里不在展開討論。

4 軸承故障的特征

目前使用比較廣泛的軸承有滑動軸承和滾動軸承二種形式，前者需要配置供油系統進行強迫冷卻，后者只需定期更換油脂以改善潤滑。二者雖然結構有所不同，但出現溫度異常時表現出的故障特征有相似之處，與溫度測量的故障特征是明顯不同的。

4.1 巴氏合金材料的物理特性和滑動式軸承故障特征

4.1.1 巴氏合金材料的物理特性

巴氏合金(簡稱烏金)具有優良的減摩性、可嵌入性以及跑合性，摩擦系數有油時為0.005，無油時為0.28。是良好的潤滑材料被廣泛應用于工程機械的軸承上。但其承載能力以及耐熱、耐疲勞性能較差，平均硬度僅為Hm30。它是一種類似于蠟燭的軟質低熔點的材料，不象水的熔點為0℃(實際它的固相轉換點和液相轉換點溫度均為0℃)，巴氏合金的固相點溫度為240℃ ，液相點溫度為370℃，澆鑄軸瓦時的溫度一般控制在450～480℃。其硬度和疲勞強度隨溫度的升高而降低，在150℃時大約只是常溫時的1/3。因此各制造廠對不同的軸承所要求控制的正常工作溫度和報警溫度，是有一定差別的，正常工作溫度允許范圍較廣，一般在70～110℃之間，報警和跳機值的要求也有所不同，如東汽機組#1－#6瓦為115℃跳機，#7#8瓦為105℃跳機 ，上汽機組規定報警Ⅰ值為99℃，Ⅱ值為112℃。

4.1.2 烏金軸瓦的幾種典型故障形式

(1)燒瓦

燒瓦又稱刮擦、膠合、燒熔，其所表現的故障嚴重程度有所不同。這是一種較常見的故障現象。在故障發生初期軸瓦溫度升高并不會導致烏金熔化。但是由于軸瓦溫度升高不能及時冷卻，造成烏金硬度下降，當抬軸高度不夠或油膜不穩定時，軸頸和烏金將會發生輕微磨擦，此時已軟化的烏金很容易被高速旋轉軸頸擠壓，粘連在軸上(即膠合現象)，粘連的這部分烏金又帶起了更多的巴氏合金，進一步破壞了不穩定的油膜，增加了磨擦力，使發熱量增加和積累，導致溫度進一步上升。如不能及時有效處理，瓦溫會迅速上升，最終出現烏金真正的熔化。所以我們看到的軸承故障并不是真正的燒瓦，而應是刮擦或膠合，只有軸承溫度超過240℃才是真正的燒瓦。

(2)龜裂

烏金軸瓦在使用一段時間后，瓦面上會出現縱橫交錯的裂紋，烏金裂成了好多碎塊，但它們仍然嵌在瓦胎上。烏金軸瓦出現龜裂的實質是材料出現疲勞裂紋。

(3)掉塊

龜裂的進一步發展就形成掉塊，軸瓦上的烏金層成片地從瓦胎上剝落下來。烏金軸瓦產生掉塊的主要原因與龜裂相同，此外，軸瓦的烏金層過厚和烏金與瓦胎結合不牢也是產生掉塊的重要原因。烏金層過厚，當軸瓦在載荷作用下發生變形時，由于烏金與瓦胎結合層處的剪切力較大;容易造成脫離。

(4)外力機械損壞

軸瓦在安裝、儲運、檢修過程中，由于堆放位置不合理或操作失誤，往往會造成對軸瓦烏金的損壞，如機械外力造成掉塊、瓦面凹坑等缺陷。

4.1.3 滑動軸承金屬溫度變化的規律

滑動軸承的金屬溫度及其變化要符合工程物理學的轉子動力學、流體力學、傳熱學和能量守恒的基本規律。該軸承的發熱量在軸承結構一定的情況下，與軸的轉速、軸頸直徑和承載寬度、承載力、摩擦系數等因素有關。軸承的散熱量包括自然散熱和強迫散熱兩部分，其中強迫散熱起到關鍵作用。強迫散熱量在軸承結構、進油方式和油的熱比容一定的情況下，與油的溫度、流量有關。當發熱量與散熱量相等時，軸承溫度維持穩定。當發熱量高于散熱量時，在其他條件不變的情況下，溫度將是多余熱量對時間的積分函數，溫升曲線將是一條積分曲線。在發生烏金膠合的情況下，磨擦系數、發熱情況、潤滑和冷卻情況都隨時間而惡化，軸承的溫升曲線可能會是一條不可逆的發散的曲線。只有當改變轉速、油溫、油量等可控的手段，溫度才會回落。但軸承烏金膠合受損的狀況是不可逆的，是逐步積累逐漸惡化的。在故障的后期往往還會出現振動異常的情況。

根據以上關系，獲得相關有關參數后，軸承的溫升曲線應該是模擬的。另外，如根據至今為止國內外各種汽輪發電機組軸承故障發生的歷史數據、資料，對各種類型軸承的故障進行分類統計，從實際軸承的溫升曲線的歸納分析中，也是應該能夠統計分析出軸承發生燒瓦故障時，溫升的速率。找出故障時軸承金屬溫度變化的規律。這是今后需要研究的重要課題。

4.2 滾動軸承溫度變化的規律

滾動軸承的故障種類較多，其溫度及其變化要符合轉子動力學、傳熱學和能量守恒的基本規律。軸承的發熱量在軸承結構一定的情況下，與軸的轉速、承載力、潤滑情況等因素有關。散熱為自然散熱。溫度的變化與發熱量與散熱量的平衡有關，其變化規律與滑動軸承有相似之處，同時在故障早期就會出現較強的振動。

4.3 軸承故障的其他特征

當出現軸承故障時，往往會伴有其他參數的變化。比如回油溫度、振動、電流等等參數，會隨這軸承故障的發生同時出現。

5 機務設備故障特征和測量設備故障特征的區別

機械設備的工作和參數測量的實現分屬不同的學科，其故障特征有著不同學科的特殊規律，有著明顯的區別。軸承發生故障時的金屬溫度變化的規律，是與溫度測量系統發生故障是完全不同的規律。二者的區別是:

5.1 相對變化幅度不同

軸承故障的相對變化幅度小。測量系統故障的相對變化幅度很大，當測量系統斷路、短路或接觸不良時，信號會大幅度跳變。

5.2 變化周期(頻率)不同

軸承故障一般不會出現周期性變化，如不進行人工干預，一般是不可逆的。如進行人工干預，它會回落到正常的工作溫度，不會呈周期性變化。

測量系統故障雖然沒有明顯有規律的周期性變化，但其變化頻率極高(當測量系統接觸不良和外界干擾時，信號會出現高頻)，變化周期可能呈不穩定變化(當測量系統接觸不良時，可能是不穩定的脈沖式大幅度跳變)，也可能呈周期性變化(當外界干擾時，信號會出現與干擾源同周期的變化)。

5.3 變化速率不同

軸承故障的相對變化速率慢。其變化速率從理論上應該是可以對不同故障情況進行計算或模擬。也可以根據各種汽輪發電機組軸承故障發生的歷史數據、資料，對各種類型軸承的故障進行分類統計歸納，一般來說，其故障狀態下溫升的數量級，可能是以℃/分鐘來衡量。

測量系統故障變化速率快，與前者相比相差的根本不是一二個數量級偏差的問題，可能是以℃/毫秒(或微秒)來衡量，甚至是光電速度。

這一特征，如果軸承金屬溫度保護需要保留時，可以做為設定延時時間的參考。

5.4 相關參數變化

當出現軸承故障時，往往會伴有其他參數的變化。比如回油溫度、振動、電流等等參數，會隨這軸承故障的發生同時出現。

當測量系統發生故障時，幾乎不可能會伴有其他故障同時出現。

5.5 規律性不同

根據國內外各種汽輪發電機組軸承故障發生的歷史數據、資料，以及本公司歷史上所發生的幾起軸承故障的經驗，從溫度變化的趨勢上可以明顯看出，軸承發生故障和測量系統發生故障，其溫度的變化規律是完全不同的。

6 結論

測量儀表故障和機械設備故障的故障特征，應分別符合電工電子學科和工程物理學的客觀規律和特征。根據不同學科的特點進行設備狀態監測和故障分析診斷，是一種科學的分析方法，可在其他設備狀態監測和故障診斷中廣泛采用。

軸承出現溫度異常故障，不可能出現象測量系統故障那樣的大幅度階躍跳變，或是脈沖式不穩定跳變，變化速率明顯低于測量系統故障那樣大幅度階躍跳變的速率，且伴有測量系統故障所不可能具備的相關參數變化。根據以上不同的故障特征，可以做為判別溫度異常的真偽的方法，來指導決策如何處理溫度異常事件。

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