海上平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組滑動(dòng)軸承異常磨損故障分析

王慶國，毛文江

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤滑與檢測研究所，廣州 510530）

0 引言

海上平臺(tái)被廣泛用于海上石油和天然氣的鉆探及開采，在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用[1-3]。由于距離海岸較遠(yuǎn)，自發(fā)電成為整個(gè)海上平臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力來源。這使得發(fā)電機(jī)組成為平臺(tái)上最為重要的設(shè)備。對于開采天然氣的平臺(tái)而言，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組通常成為平臺(tái)上的主要發(fā)電機(jī)[4-5]。發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)為大型發(fā)電機(jī)，其兩端軸承為滑動(dòng)軸承，潤滑方式為流體動(dòng)壓潤滑。一旦發(fā)電機(jī)軸承的軸瓦潤滑出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)對整個(gè)海上平臺(tái)的生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重的影響。因此，非常有必要對海上平臺(tái)發(fā)電機(jī)的典型潤滑故障進(jìn)行研究和分析。

目前，關(guān)于滑動(dòng)軸承的異常故障研究中主要包含：軸承安裝異常及優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-8]、軸承潤滑異常診斷分析[9-11]、軸承振動(dòng)異常診斷分析[12-14]、軸承故障修復(fù)及預(yù)防研究[15-17]等4個(gè)方面。其中，宋子義等[6]根據(jù)在檢修過程中發(fā)現(xiàn)的幾起因滑動(dòng)軸承安裝失誤引起的故障，總結(jié)分析原因并提出了正確的安裝方法；李健等[7]通過分析徑向滑動(dòng)軸承油膜形成原理及常見運(yùn)動(dòng)故障，總結(jié)了影響徑向滑動(dòng)軸承性能的主要因素，對一種變速箱徑向滑動(dòng)軸承的運(yùn)行故障進(jìn)行了詳細(xì)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。趙文剛等[9]采用有限元法求解了廣義Reynolds方程、能量方程和熱傳導(dǎo)方程，得到額定負(fù)載下的油膜壓力、溫度和厚度分布，從而解釋了汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組滑動(dòng)軸承發(fā)生的軸瓦破裂、碰磨故障的原因。俎海東等[12]根據(jù)某汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，通過分析原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生了軸瓦自激振動(dòng)。通過調(diào)整軸承座標(biāo)高、軸瓦頂隙、軸瓦側(cè)隙、改善潤滑油品質(zhì)和處理軸瓦磨損，解決了軸瓦自激振動(dòng)問題。謝生鵬等[15]根據(jù)某焦化廠澆鑄軋機(jī)軸瓦的故障，通過總結(jié)分析軸瓦脫落的主要原因，提出了軸瓦脫落后通過焊接修復(fù)的方案，并取得了良好的效果。以上所有的這些關(guān)于滑動(dòng)軸承異常故障的相關(guān)研究相對詳實(shí)和全面，但是很少發(fā)現(xiàn)關(guān)于軸瓦異常磨損的故障研究，且未發(fā)現(xiàn)海上平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組滑動(dòng)軸承的異常磨損故障分析的文獻(xiàn)。

本文通過分析某海上平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組軸瓦異常磨損的故障背景，對該潤滑系統(tǒng)的在用汽輪機(jī)油進(jìn)行了油液監(jiān)測分析，就油中的磨損顆粒進(jìn)行了電鏡能譜分析，并進(jìn)行了綜合分析和討論，得出了該滑動(dòng)軸承異常磨損故障產(chǎn)生的原因，并給出了相關(guān)處理措施。

1 故障背景

某石油公司海上平臺(tái)為天然氣開采平臺(tái)，其主發(fā)電機(jī)組為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。該發(fā)電機(jī)組主要包括燃?xì)廨啓C(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)3個(gè)部分，其中燃?xì)廨啓C(jī)使用燃?xì)廨啓C(jī)油對其滑動(dòng)軸承進(jìn)行潤滑，齒輪箱使用齒輪油對其齒輪和滾動(dòng)軸承進(jìn)行潤滑，發(fā)電機(jī)使用汽輪機(jī)油對其滑動(dòng)軸承進(jìn)行潤滑。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意

該發(fā)電機(jī)組在平時(shí)未進(jìn)行定期的油液監(jiān)測分析，但機(jī)組配備有振動(dòng)和油溫的在線監(jiān)測裝置。在2017年11月初的時(shí)候，突然發(fā)現(xiàn)該機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承出現(xiàn)高溫報(bào)警，于是立刻從潤滑系統(tǒng)中取了油樣寄送至廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司進(jìn)行檢測分析，希望能夠找出發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行時(shí)溫度過高的原因，并分析設(shè)備的磨損情況，避免故障情況的加劇而造成異常停機(jī)。

2 油液檢測分析

油液分析是一項(xiàng)通過檢測在用油的各項(xiàng)指標(biāo)來反映油品油質(zhì)狀態(tài)和設(shè)備潤滑狀態(tài)的技術(shù)[18-19]。檢測分析主要包含理化指標(biāo)、污染指標(biāo)、磨損指標(biāo)這3類，其中理化指標(biāo)主要是通過檢測油品的各項(xiàng)物理和化學(xué)性能，以判斷潤滑油是否滿足設(shè)備運(yùn)行的要求，以及油品在使用過程中是否發(fā)生了劣化；污染指標(biāo)主要是檢測油品的水分、油泥、粉塵等污染物質(zhì)，以判斷潤滑系統(tǒng)是否收到外界污染，以及被污染的程度；磨損指標(biāo)主要是檢測油中的磨損金屬元素和磨粒金屬顆粒的含量，以判斷設(shè)備的磨損部位及磨損程度。

該發(fā)電機(jī)軸承所用油品為進(jìn)口的32號(hào)汽輪機(jī)油，取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)樣品中有肉眼可見的金屬顆粒沉積，初步判斷設(shè)備出現(xiàn)了異常磨損。為了找到磨損原因，對油品的黏度、酸值、水分、污染度、泡沫特性、抗氧化性能等進(jìn)行了分析，同時(shí)為了查明金屬顆粒的來源，還對油品進(jìn)行了PQ指數(shù)測試和磨粒分析。表1所示為發(fā)電機(jī)軸承在用汽輪機(jī)油的檢測項(xiàng)目和檢測結(jié)果，圖2所示為在用汽輪機(jī)油中的磨損顆粒。

圖2 在用汽輪機(jī)油中的磨粒

表1 在用汽輪機(jī)油檢測結(jié)果

在分析在用油數(shù)據(jù)時(shí)，參考GB/T 7596-2017《電廠用運(yùn)行中渦輪機(jī)油》進(jìn)行對比分析。從油液檢測的數(shù)據(jù)中可以看出，該機(jī)組的在用油的多項(xiàng)指標(biāo)存在異常，主要表現(xiàn)在油品劣化、外界污染、設(shè)備磨損這3個(gè)方面。

（1）油品劣化。主要是在用油的旋轉(zhuǎn)氧彈測試值較低（為80 min），而新油的旋轉(zhuǎn)氧彈高于950 min，這表明油品的抗氧化性能下降嚴(yán)重，存在嚴(yán)重的氧化劣化情況，而油中有少量油泥也驗(yàn)證了這一情況。

（2）外界污染。主要表現(xiàn)為水分含量高，油中的水分含量過高會(huì)降低摩擦副中的油膜強(qiáng)度，造成設(shè)備的異常磨損；污染度等級高，一方面源于油中的水分和油泥顆粒，另一方面源于設(shè)備運(yùn)行時(shí)因異常磨損而產(chǎn)生的金屬顆粒。

（3）設(shè)備磨損。主要表現(xiàn)為PQ指數(shù)過高，以及磨粒分析中發(fā)現(xiàn)了少量不同材質(zhì)的磨損顆粒，最大尺寸達(dá)到150μm，表明該發(fā)電機(jī)軸承存在嚴(yán)重的異常磨損。

因此，從油液分析的檢測結(jié)果，推測該機(jī)組潤滑系統(tǒng)的呼吸器可能失效，造成空氣中的水分進(jìn)入到潤滑系統(tǒng)，從而導(dǎo)致在用油的水分含量偏高；潤滑系統(tǒng)的過濾器精度不夠，造成在用油中的污染顆粒和磨損顆粒沒有被濾除，從而導(dǎo)致污染度等級偏高；油品氧化劣化嚴(yán)重，造成在用油的抗氧化性能下降。綜上分析，在用潤滑油的整體油質(zhì)變差，無法滿足正常的潤滑需求，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承出現(xiàn)了異常磨損。

3 電鏡能譜分析

電鏡能譜分析是利用高能電子束來掃描樣品，通過激發(fā)的電子信息來反映樣品的表明形貌，并配合能譜儀進(jìn)行樣品的表明微區(qū)成分分析[20]，本研究中主要是為了觀測磨粒圖片中的白色磨粒和黃色磨粒，從而確定其具體成分及材質(zhì)。在用油鐵譜片中白色金屬顆粒的電鏡能譜檢測結(jié)果具體如圖3所示，黃色金屬顆粒的電鏡能譜檢測結(jié)果具體如圖4所示。

圖3 白色顆粒電鏡能譜檢測結(jié)果

圖4 黃色顆粒電鏡能譜檢測結(jié)果

通過對油中的磨粒進(jìn)行電鏡能譜分析，可以獲知每種顆粒的具體元素組成，從而確定磨粒的磨損來源及部位。根據(jù)能譜結(jié)果，白色顆粒的主要元素為鐵（Fe）、碳（C）、氧（O），次要元素有硅（Si）和錳（Mn）；其中C和O主要來源于殘留潤滑油；Si來源于外界粉塵污染；結(jié)合鐵（Fe）、錳（Mn）元素含量分析，該白色磨粒材質(zhì)為鋼。黃色顆粒的主要元素是銅（Cu）、鋅（Zn）、碳（C）、氧（O），次要元素有鋁（Al）和硅（Si）；其中C和O主要來源于殘留潤滑油；Al、Si來源于外界粉塵污染；結(jié)合銅（Cu）、鋅（Zn）元素含量分析，該黃色磨粒材質(zhì)為黃銅。經(jīng)確認(rèn)，磨損顆粒的材質(zhì)與發(fā)電機(jī)滑動(dòng)軸承軸瓦的材質(zhì)相符，證明了磨損顆粒來源于該軸瓦的異常磨損。

4 故障分析與結(jié)果討論

滑動(dòng)軸承的軸瓦主要分為雙金屬軸瓦和三金屬軸瓦。其中雙金屬軸瓦主要由合金層和鋼背層構(gòu)成。而三金屬構(gòu)造通常由三層金屬構(gòu)成，第一層為軸承合金層，為較薄的涂層，主要由錫、鉛、銻等強(qiáng)度較小的金屬組成；第二層為銅合金層，為較薄的涂層，其強(qiáng)度較軸承合金要大，但是比鋼的強(qiáng)度要小；第三層為鋼背層，是滑動(dòng)軸承的最底層，其厚度占比最多，硬度最大。本文中的滑動(dòng)軸承軸瓦為雙金屬軸瓦，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。根據(jù)在用油鐵譜磨粒分析和電鏡能譜分析可知，發(fā)電機(jī)滑動(dòng)軸承軸瓦的合金層已經(jīng)磨破，已經(jīng)開始磨損鋼背層了，且磨損顆粒尺寸較大，最大達(dá)到了150μm。

圖5 軸瓦結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)滑動(dòng)軸承的潤滑方式為流體動(dòng)壓潤滑，其油膜厚度由軸的轉(zhuǎn)速、油品黏度、軸承載荷共同決定[21]。根據(jù)不同學(xué)者的研究及計(jì)算結(jié)果，流體動(dòng)壓潤滑油膜的厚度一般為1～100μm[21-23]。但是本文中滑動(dòng)軸承實(shí)際產(chǎn)生的鋼質(zhì)和銅合金磨粒最大尺寸已經(jīng)達(dá)到了150μm，大尺寸的顆粒會(huì)破壞油膜并進(jìn)一步加劇滑動(dòng)軸承的摩擦和磨損。

綜上所述，發(fā)電機(jī)滑動(dòng)軸承的在用汽輪機(jī)油因?yàn)橥饨缢治廴疽约坝推费趸踊@兩個(gè)因素共同造成了潤滑油膜的強(qiáng)度下降，從而使得軸瓦發(fā)生異常磨損。同時(shí)，因?yàn)檫^濾器濾芯精度不夠，使得油品氧化劣化產(chǎn)生的油泥以及磨損產(chǎn)生的磨粒不能被濾除，大尺寸的顆粒會(huì)破壞潤滑油膜而進(jìn)一步加劇軸承的異常磨損。而且，在用油中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較多鋼質(zhì)磨粒，表明軸承磨損比較嚴(yán)重，已經(jīng)磨損到了鋼背層。現(xiàn)場應(yīng)引起重視，并及時(shí)進(jìn)行檢修。

5 結(jié)束語

（1）發(fā)電機(jī)潤滑系統(tǒng)的呼吸器和過濾器可能已經(jīng)失效，造成了油中的水分偏高和污染度等級偏高的情況；

（2）油品的抗氧化性能較差，并產(chǎn)生了少量的油泥顆粒，表明油品存已經(jīng)在嚴(yán)重的劣化情況；

（3）在用汽輪機(jī)油因?yàn)樗治廴竞陀推妨踊斐捎湍?qiáng)度下降，是造成發(fā)電機(jī)軸承異常磨損的原因；

（4）磨損顆粒的尺寸查過了潤滑油膜的厚度，會(huì)破壞油膜并進(jìn)一步加劇軸瓦的磨損；

（5）軸瓦磨損嚴(yán)重，其合金層已基本磨破，并且已經(jīng)開始磨損鋼背層了；現(xiàn)場應(yīng)引起重視，并及時(shí)進(jìn)行檢修。