中壓電機軸電流故障分析及處理防范

劉長富

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457）

1 問題

中海石油某海上采油平臺4臺10.5 kV中壓電機中A機出現過軸承溫度異常上升情況，通過檢測檢查，存在軸承潤滑不良癥狀，根據中壓電機運行潤滑調整周期和調整量對該中壓電機進行潤滑調整，調整后溫度變化不明顯。后期該中壓電機先后出現軸承徑向振動加速度增大、徑向振動速度增大癥狀，為避免故障擴大，對該中壓電機軸承進行預防性更換，更換后發現自由端軸承外環表面存在線條式灼蝕痕跡（圖1），經判斷，該線條式灼蝕痕跡由電機軸電流造成。

圖1 軸承的軸電流灼蝕痕跡

2 線條式灼蝕痕跡成因及危害

該電機自由端采用NU220軸承，屬滾動軸承，軸承內環固定于主軸軸徑上，緊隨主軸轉動，軸承外環固定于電機自由端端蓋軸套內。該電機未采用變頻器供電且周圍無高壓設備強電場的影響，故軸電流產生機理應為電機在轉動過程中，當存在不平衡的磁通交鏈在主軸上，則在電機主軸的兩端形成感應電動勢，這個電動勢被業界稱為軸電壓，現場通過示波器及高內阻電壓表進行軸電壓測量，軸電壓在幾豪伏到幾十伏之間變化，各類電機均存在軸電壓，但軸電壓的大小不同對電機的影響不同。

電機正常運轉后，主軸轉動，軸承內圈與外圈通過滾柱相對運動，潤滑油脂在其中建立一層潤滑油膜，通過驗證，新的潤滑油脂在軸承內部能建立電阻值良好的油膜，良好的油膜能夠承受一定的軸電壓，而運行一段時間后的潤滑油脂因含雜質、水汽等原因電阻值變小，當軸電壓達到幾百毫伏時，在軸承的內環、滾柱和外環接觸處的油膜即被擊穿，軸電流會以主軸、滾動軸承、軸承套、軸承端蓋、電機機體為導通形成回路，此時，軸電流會作用于軸承內環、滾柱和外環之間油膜較脆弱的部位，形成灼噬，促使軸承環形成線條式灼痕，由于軸電壓處于變化狀態，軸電流作用形成的電火花循環作用于軸承，因中壓電機轉速較高，電火花作用隨機，故在軸承上形成不規則灼痕。

中壓電機高速運轉時，通過潤滑油脂的潤滑作用，軸承潤滑平穩，軸電流的作用使潤滑油膜不能良好建立，促使軸承溫度上升，甚至造成軸承局部油膜缺失造成振動加速度和速度增大，縮短軸承壽命，如發現不及時，可能引發軸承架破裂、軸承滾柱損壞等情況，嚴重時造成軸承抱軸、主軸軸徑損壞、主軸彎曲、掃膛等情況的發生。

3 在線監測診斷平臺的軸電流的驗證與分析

采油平臺為了對電機實行精細化管理，在平臺投產初期，現場研究并應用了一套在線監測診斷平臺，該診斷平臺主要用于中壓電機振動監測分析和故障預警。針對該中壓電機出現的軸電流現象，借助在線監測診斷平臺對軸電流故障前期的振動頻譜進行查看，分析中壓電機軸承的軸電流損傷過程，對比研究軸承軸電流損傷期間的軸承振動信號的特征，發現軸電流損傷軸承的一般特征頻率不能明顯區分和發現，主要原因是中壓電機滾柱軸承的內、外圈和滾動體均有軸電流損壞，故障振動信號頻譜具有多重性。

平臺采用現有手段和技術阻絕軸電流對中壓電機軸承的影響，通過在線監測診斷平臺對4臺中壓電機軸電流阻斷前（圖2）后（圖3）的頻譜對比查看，發現阻斷前在線監測診斷平臺加速度幅值譜圖180倍頻至200倍頻間的沖擊峰較多，呈現形式如同一般低靈敏性探頭受到外界干擾所產生的無規律變化值。通過檢查180至200倍頻振動加速度幅值頻譜確定軸電流存在的方法，被應用于其他中壓電機的軸電流診斷驗證，得到現場淺層次判斷軸電流存在的簡單方法。

圖2 軸電流阻斷前的振動加速度幅值頻譜

圖3 軸電流阻斷后的振動加速度幅值頻譜

4 中壓電機軸電流處理防范措施

4.1 改變軸電流流通路徑

中壓電機轉動，建立一定軸電壓的情況下，當軸電壓在中壓電機機體、端蓋、軸承、主軸間形成回路，軸電流便伴隨產生。軸電流會在軸電壓建立的多種路徑中流動，軸承是軸電流流過的關鍵部件，因它影響著中壓電機的運轉情況，故可以考慮降低軸電流對軸承的影響，即可以通過改變軸電流流通路徑或削減軸電流在軸承部位的流通大小，采取的首要措施是在中壓電機上安裝接地碳刷，該接地碳刷需良好接地，另外，碳刷與中壓電機旋轉部位緊密接觸，該措施用以保持主軸電位，減小或消除軸電壓對軸承的作用，進而控制軸電流的影響。

4.2 阻斷軸電流流通路徑

（1）中壓電機軸電壓的建立是依賴一條或多條具有一定電阻值的導通路徑，而流經軸承的路徑經過中壓電機軸承座、軸承端蓋及電機殼體，減少軸電流對軸承的影響措施從阻斷軸電流流通路徑方面著手。隨著技術的發展，各型號各規格絕緣軸承相繼出現，絕緣軸承一般內圈或外圈的外表面涂覆有絕緣的氧化鋁層等絕緣物質，具有一定光澤度，除具有一定的強力外高電阻、抗電腐蝕的特性使其具備阻斷軸電流的功能，絕緣軸承的應用能夠有效阻斷軸電流的流通路徑，但相對于普通軸承，其造價較高。

（2）軸承座刷渡方法是阻斷軸電流流通路徑的第二種方法，它的原理同絕緣軸承一樣，只是處理的位置不同，軸承座刷渡針對的位置是軸承座，采用的方法是對軸承座進行熱噴涂絕緣涂層處理，即采用噴涂技術，將由工程陶瓷、合金、工程塑料等材料形成的復合材料噴涂并牢固于軸承座上，使軸承座與軸承外表面相接觸的表面具備耐高溫、抗氧化、絕緣、導熱等特殊性能，使得軸電流阻斷在軸承座處，防止流過軸承對軸承造成影響，該措施因材料和工藝要求造價較高，但優點是通過該措施處理后的中壓電機可采用普通軸承，便于后期資本支出的節省。

（3）中壓電機端蓋與機殼間絕緣處理措施是平臺自主研究的一項措施，它的原理類同軸承座刷鍍，但比軸承座刷鍍工藝技術要求低。該措施實施的位置為中壓電機端蓋與機殼之間，中壓電機端蓋與機殼通過螺栓連接，兩部件緊密相連，該處位置為軸電流流通軸承的主要路徑，該措施的目標是在中壓電機端蓋與機殼之間建立良好的絕緣，存在的難點是螺栓的絕緣處理和接觸面的絕緣處理。螺栓的絕緣處理，平臺采用絕緣螺栓替代現有普通螺栓，絕緣螺栓要具備強度和絕緣程度的要求。接觸面的絕緣處理，平臺采用的材料類似于軸承座刷渡使用的復合材料，因該處不同于軸承座的高溫環境，故復合材料對耐高溫要求相對較低，此措施的優點在于中壓電機可采用普通軸承運轉，造價相對適中。該措施為平臺自主研究并實施，現場軸電流阻斷處理和防范效果明顯。

5 結語

通過中海油海上采油平臺中壓電機軸電流故障示例，分析軸電流的的成因和危害，借助于平臺的在線監測診斷系統對比分析各類頻譜圖，得到中壓電機軸電流在高倍頻加速度頻譜中的反映，用以判斷中壓電機軸電流的存在。探討幾種軸電流的處理及預防措施，其中平臺自主研究的軸電流處理新措施，實際應用效果顯著，對軸電流的處理和防范起到良好作用。