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发电机组轴电流故障诊断
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柴油发电机组, 汽油发电机, 燃气发电机组, 移动电站, ...
由于转子带电引起轴电流最终造成机器元件损伤的情况较早出现在发电机组,故一般把轴电流形成的原因与电磁效应联系起来。随着大型石油、化工装置,特别是化肥装置中蒸汽透平驱动离心压缩机组的应用,轴电流影响机组长周期安全运行的问题越来越突出,它在机组的推力轴承、径向轴承、联轴节、浮环密封以及传动齿轮等部位产生电火花放电,损伤金属表面,破坏油膜形成。如果这种损伤没有及时检测到,则会给机器运转带来很多问题,并可能造成机器主要元件的严重破坏。

有关轴电流故障的介绍资料比较少见,在此结合生产中遇到的实际问题做一简单介绍。

一、轴电流对转子零件的损伤及其后果

旋转中的轴须采用一定的润滑方式使转子与轴承保持不直接接触,即整个转子在高速旋转时与静子之间有油膜绝缘。由于转子对地存在电阻,一旦带电,就会建立起对地电压,当电压升高到某一数值,就会在电阻最小的区域击穿,发生电火花放电。这种放电作用所带来的主要后果如下:

(1)在放电区域熔化金属粒子,在金属表面形成极微小的电蚀凹坑;
(2)凹坑的积聚使表面变得粗糙,失去光泽,如果发生在轴瓦上则会产生纯机械磨损;
(3)熔化的金属微粒进入润滑系统,使润滑剂受到污染,整个润滑系统的润滑性能变坏,而且含有大量金属微粒的润滑剂会降低油膜电阻,加速电火花侵蚀的进展;
(4)在轴承承载区产生局部高温,破坏油膜,烧坏金属,增加磨耗,最终造成严重的摩擦损坏。

在旋转机械的转子系统中,最容易发生电火花放电的部位是径向轴承和止推轴承的承载面、齿式联轴器的工作齿面以及浮环密封面,这些部位因运行中的多种条件变化(如负荷、温度、润滑状况以及转子振动等),均有可能会使油膜和气隙电阻减小,在这些部位引起电火花放电现象。

对于径向滑动轴承,轴承电蚀凹坑的发展会使巴氏合金表面受到严重的腐蚀,这不仅会改变轴承的原有间隙,而且表面光洁度下降还会导致轴承表面的擦伤和擦痕、局部高温和烧伤。高速轻载轴承表面巴氏合金的磨耗会使一部分轴瓦瓦块失去对转子轴颈的预负荷作用,转子在旋转时容易诱发油膜涡动,造成转子系统的不稳定。而不稳定的油膜反过来又会引起轴承油膜电阻的急剧下降,使更多的轴电流通过该区域,加剧电火花作用,彼此相互激励,最终导致轴承或转子系统的损坏。

止推轴承的电火花损伤是油膜过薄引起的,推力瓦块在电火花侵蚀下很快磨耗。据国外报道,一台涡轮发电机组的止推轴承在轴电流的充电和放电作用下,新更换的轴承使用仅十几天就被侵蚀得无法继续工作。对于米契尔式止推轴承,推力瓦块的电火花侵蚀结果使瓦块不能很好地形成油膜,从而加速纯机械磨损。假如轴向推力较大,会进一步导致止推轴承烧瓦或严重损坏,造成重大设备事故。

二、轴电流的成因和类型

轴电流的形成除了外部对转子施加一定的电位之外,大多数则是由于下面介绍的几种因素感应而产生的。

对于电机类转子,产生轴电流的原因主要有磁力线分布的不对称效应以及转轴的磁化效应。磁力线分布不对称通常是由于叠片层的不对称的间隙引起的。除电机类转子外,其他设备也会因轴的磁化效应而产生轴电流。

轴的磁化效应是转轴由于各种原因而带有磁性,例如转子存在不平衡电流绕组使转轴磁化,焊接、摩擦、碰撞以及电涡流装置均可能使设备带有磁性,并建立起磁场。旋转磁场切割导体,会在这些零件内感应起一定电位,当电位升高到足以击穿油膜时,就形成电流回路。这种电流回路可能穿过整个转子,也可能仅在轴承中或浮环密封中形成局部的短路电流,轴承或浮环中的短路电流又会产生新的磁场,磁化转轴或其他零件(图1-1中的两类情况)。因此,这种磁电相互转换,会在机组内形成很强的磁场,并出现很高的电流。

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图1-1 转轴上局部短路电流感应的磁场

现代大型化工装置中蒸汽透平驱动的离心压缩机组虽非电力设备,但有时也会形成很高的轴电流,研究证实这是一种由粒子碰撞与摩擦引起的静电效应。对于蒸汽透平一离心压缩机组,多数是由于湿蒸汽粒子碰撞使转子带电,尤其是冷凝式蒸汽透平,末几级的湿含量很高,水蒸气粒子对转子叶片的碰撞和摩擦将使转子产生静电效应而带电。因此,在冷凝式蒸汽透平中会较多地遇到轴电流问题,而在背压式蒸汽透平中较少发生。

此外,离心压缩机和蒸汽透平转子工作时也可能因润滑油引起带电,当润滑油通过过滤器时,由于滤网的通路很小,通常只有几个微米,油分子与滤网的碰撞与摩擦会导致分子带电。因为润滑油基本上是一种非导电介质,即使通过相当长的接地管线后,油分子仍能保持带电,并把电荷转移到被润滑的轴颈表面而产生轴电位。当电位升高到一定值时,将在油膜电阻最低处击穿而产生电火花放电。

四、轴电流损伤的防治措施

减小或消除轴电流引起的损伤,主要手段是限制轴电压的升高,一般认为,足以引起轴电流损伤的电压在20V以上,典型的轴承损伤电压在30~100V之间。如果把轴电压降到1V以下,基本上就可以消除轴电流带来的故障。限制和降低轴电压的方法有多种,使用较多的是各种型式的接地装置,例如用炭刷、金属滑靴、水银槽、水密封等方法把转子与机壳连接起来,使转子对地导通,消除转轴静电电位。此外,还有一些导通转轴上电荷的方法,例如,采用电离空气通道,采用高导电性能的润滑油或在油中加人某种添加剂,使润滑油变成良导体。

对于在运转过程中已经发生轴电流侵蚀的机器,使用改变油膜厚度的方法(例如改变油的黏度、改变润滑油供应量、改变轴承速度和负荷等)也可以减小电流侵蚀的速度,实际使用证明此法有一定效果。

使机器零件绝缘也是一种限制轴电流的方法,例如把一处或多处和轴承连接的地方(包括油路管线在内)进行绝缘,这样在轴承和它的支承体或任何周围导体之间无金属接触,隔断轴电流回路。但这种方法实施困难,较少采用。

如果证实转轴带有磁性,最好的办法是进行消磁处理。对于由不平衡绕组产生转轴的磁化效应,可以通过附加中性绕组来降低由这种效应所产生的电流。如果这种方法不易实现,则可采用增加穿过轴承支承磁路中磁阻的方法,例如,在磁路中加入非磁材料来满足这个要求。对于压缩机转子由于加工制造或其他原因造成的转子带磁,可以使用专门的消磁装置进行消磁处理,这种装置的原理是将转子置于一个交变磁场中,由于这个磁场强度极高,转子的磁性很快便可以消除。

根据电荷的起因采取措施是消除轴电流的根本办法,例如,对于蒸汽透平产生的静电电荷,可以用控制水蒸气微滴的大小,改变喷嘴和叶片的材料和光洁度等,以减小液滴碰撞和摩擦起电。但是,这种措施对于已在运行中的机器往往是不现实的,它意味着需要重新设计一套防止产生轴电流的有效装置。

五、诊断实例

例1:国内某大型化肥装置的合成气压缩机组(由中压抽注汽凝汽式蒸汽透平驱动),其透平的前端轴瓦总是发生异常磨损,每次检修总发现轴瓦间隙严重超标,无论是运行一年半一次的大检修,还是运行二、三个月的临时停车检修均不例外。严重时轴承底瓦巴氏合金完全磨去,露出大面积黄铜过镀层,轴瓦间隙超差5倍以上,并导致对中超差十多倍,严重影响机组的安全稳定长期运行。

诊断意见:检查磨损的轴瓦,发现有明显的电蚀现象,并在另一缸体的浮环密封处发现大面积放电造成的蚀坑。根据以上现象,判定为轴电流造成的损坏。

生产验证:在轴系末端增加放电刷后,上述问题消失,影响机组安全稳定长周期运行的隐患得以消除。

例2:国内某大化肥厂的一台大型离心式氮气压缩机,高压缸多次发生止推轴承烧瓦事故,事故的主要原因经计算证明是轴向推力过大,实际轴向力超过轴承允许承载能力一倍以上。经过轴向力调整后,突然烧瓦事故得以避免,但轴承比压和轴位移仍然较大。

分析诊断:经过检查,发现推力盘受力面及推力瓦块表面均有严重的轴承电流侵蚀,具体表现在以下两方面。

(1)每个瓦块上的巴氏合金沿止推盘旋转方向磨成一斜坡,瓦块上油楔的出口端[图1-2 (a)]磨蚀区和非磨蚀之间有着明显的界线,磨蚀区已失去金属光泽,非磨蚀区仍保持巴氏合金原有加工面的光泽。经过光学显微镜观察,可以看到腐蚀区呈典型的电火花放电腐蚀特征。

(2)推力盘的两侧面外貌完全不同,承力瓦块侧表面呈浅灰色,像喷过砂那样完全没有光泽,其上布满电蚀凹坑,非承力侧面则保持原有加工面的金属光泽。

生产验证:在轴承上安装滑刷接地装置后,上述问题得到解决,多年内未再发生“烧瓦”事故,这台机组也不再是困扰全厂生产的瓶颈问题了。
文章内容仅供参考 (投稿) (9/25/2011)
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