發電機組軸電流故障診斷

發電機    時間:2014-03-12 17:15:11
發電機組軸電流故障診斷簡介
由於轉子帶電引起軸電流最終造成機器元件損傷的情況較早出現在發電機組,故一般把軸電流形成的原因與電磁效應聯繫起來。隨著大型石油、化工裝置,特別是化肥裝置中……
發電機組軸電流故障診斷正文

由於轉子帶電引起軸電流最終造成機器元件損傷的情況較早出現在發電機組,故一般把軸電流形成的原因與電磁效應聯繫起來。隨著大型石油、化工裝置,特別是化肥裝置中蒸汽透平驅動離心壓縮機組的應用,軸電流影響機組長周期安全運行的問題越來越突出,它在機組的推力軸承、徑向軸承、聯軸節、浮環密封以及傳動齒輪等部位產生電火花放電,損傷金屬表面,破壞油膜形成。如果這種損傷沒有及時檢測到,則會給機器運轉帶來很多問題,並可能造成機器主要元件的嚴重破壞。
有關軸電流故障的介紹資料比較少見,在此結合生產中遇到的實際問題做一簡單介紹。
一、軸電流對轉子零件的損傷及其後果
旋轉中的軸須採用一定的潤滑方式使轉子與軸承保持不直接接觸,即整個轉子在高速旋轉時與靜子之間有油膜絕緣。由於轉子對地存在電阻,一旦帶電,就會建立起對地電壓,當電壓升高到某一數值,就會在電阻最小的區域擊穿,發生電火花放電。這种放電作用所帶來的主要後果如下:
(1)在放電區域熔化金屬粒子,在金屬表面形成極微小的電蝕凹坑;
(2)凹坑的積聚使表面變得粗糙,失去光澤,如果發生在軸瓦上則會產生純機械磨損;
(3)熔化的金屬微粒進入潤滑系統,使潤滑劑受到污染,整個潤滑系統的潤滑性能變壞,而且含有大量金屬微粒的潤滑劑會降低油膜電阻,加速電火花侵蝕的進展;
(4)在軸承承載區產生局部高溫,破壞油膜,燒壞金屬,增加磨耗,最終造成嚴重的摩擦損壞。
在旋轉機械的轉子系統中,最容易發生電火花放電的部位是徑向軸承和止推軸承的承載面、齒式聯軸器的工作齒面以及浮環密封面,這些部位因運行中的多種條件變化(如負荷、溫度、潤滑狀況以及轉子振動等),均有可能會使油膜和氣隙電阻減小,在這些部位引起電火花放電現象。
對於徑向滑動軸承,軸承電蝕凹坑的發展會使巴氏合金表面受到嚴重的腐蝕,這不僅會改變軸承的原有間隙,而且表面光潔度下降還會導致軸承表面的擦傷和擦痕、局部高溫和燒傷。高速輕載軸承表面巴氏合金的磨耗會使一部分軸瓦瓦塊失去對轉子軸頸的預負荷作用,轉子在旋轉時容易誘髮油膜渦動,造成轉子系統的不穩定。而不穩定的油膜反過來又會引起軸承油膜電阻的急劇下降,使更多的軸電流通過該區域,加劇電火花作用,彼此相互激勵,最終導致軸承或轉子系統的損壞。
止推軸承的電火花損傷是油膜過薄引起的,推力瓦塊在電火花侵蝕下很快磨耗。據國外報道,一台渦輪發電機組的止推軸承在軸電流的充電和放電作用下,新更換的軸承使用僅十幾天就被侵蝕得無法繼續工作。對於米契爾式止推軸承,推力瓦塊的電火花侵蝕結果使瓦塊不能很好地形成油膜,從而加速純機械磨損。假如軸向推力較大,會進一步導致止推軸承燒瓦或嚴重損壞,造成重大設備事故。
二、軸電流的成因和類型
軸電流的形成除了外部對轉子施加一定的電位之外,大多數則是由於下面介紹的幾種因素感應而產生的。
對於電機類轉子,產生軸電流的原因主要有磁力線分佈的不對稱效應以及轉軸的磁化效應。磁力線分佈不對稱通常是由於疊片層的不對稱的間隙引起的。除電機類轉子外,其他設備也會因軸的磁化效應而產生軸電流。
軸的磁化效應是轉軸由於各種原因而帶有磁性,例如轉子存在不平衡電流繞組使轉軸磁化,焊接、摩擦、碰撞以及電渦流裝置均可能使設備帶有磁性,並建立起磁場。旋轉磁場切割導體,會在這些零件內感應起一定電位,當電位升高到足以擊穿油膜時,就形成電流迴路。這種電流迴路可能穿過整個轉子,也可能僅在軸承中或浮環密封中形成局部的短路電流,軸承或浮環中的短路電流又會產生新的磁場,磁化轉軸或其他零件(圖1-1中的兩類情況)。因此,這種磁電相互轉換,會在機組內形成很強的磁場,並出現很高的電流。


圖1-1轉軸上局部短路電流感應的磁場現代大型化工裝置中蒸汽透平驅動的離心壓縮機組雖非電力設備,但有時也會形成很高的軸電流,研究證實這是一種由粒子碰撞與摩擦引起的靜電效應。對於蒸汽透平一離心壓縮機組,多數是由於濕蒸汽粒子碰撞使轉子帶電,尤其是冷凝式蒸汽透平,末幾級的濕含量很高,水蒸氣粒子對轉子葉片的碰撞和摩擦將使轉子產生靜電效應而帶電。因此,在冷凝式蒸汽透平中會較多地遇到軸電流問題,而在背壓式蒸汽透平中較少發生。
此外,離心壓縮機和蒸汽透平轉子工作時也可能因潤滑油引起帶電,當潤滑油通過過濾器時,由於濾網的通路很小,通常只有幾個微米,油分子與濾網的碰撞與摩擦會導致分子帶電。因為潤滑油基本上是一種非導電介質,即使通過相當長的接地管線后,油分子仍能保持帶電,並把電荷轉移到被潤滑的軸頸表面而產生軸電位。當電位升高到一定值時,將在油膜電阻最低處擊穿而產生電火花放電。
四、軸電流損傷的防治措施
減小或消除軸電流引起的損傷,主要手段是限制軸電壓的升高,一般認為,足以引起軸電流損傷的電壓在20V以上,典型的軸承損傷電壓在30~100V之間。如果把軸電壓降到1V以下,基本上就可以消除軸電流帶來的故障。限制和降低軸電壓的方法有多種,使用較多的是各種型式的接地裝置,例如用炭刷、金屬滑靴、水銀槽、水密封等方法把轉子與機殼連接起來,使轉子對地導通,消除轉軸靜電電位。此外,還有一些導通轉軸上電荷的方法,例如,採用電離空氣通道,採用高導電性能的潤滑油或在油中加人某種添加劑,使潤滑油變成良導體。
對於在運轉過程中已經發生軸電流侵蝕的機器,使用改變油膜厚度的方法(例如改變油的黏度、改變潤滑油供應量、改變軸承速度和負荷等)也可以減小電流侵蝕的速度,實際使用證明此法有一定效果。
使機器零件絕緣也是一種限制軸電流的方法,例如把一處或多處和軸承連接的地方(包括油路管線在內)進行絕緣,這樣在軸承和它的支承體或任何周圍導體之間無金屬接觸,隔斷軸電流迴路。但這種方法實施困難,較少採用。
如果證實轉軸帶有磁性,最好的辦法是進行消磁處理。對於由不平衡繞組產生轉軸的磁化效應,可以通過附加中性繞組來降低由這種效應所產生的電流。如果這種方法不易實現,則可採用增加穿過軸承支承磁路中磁阻的方法,例如,在磁路中加入非磁材料來滿足這個要求。對於壓縮機轉子由於加工製造或其他原因造成的轉子帶磁,可以使用專門的消磁裝置進行消磁處理,這種裝置的原理是將轉子置於一個交變磁場中,由於這個磁場強度極高,轉子的磁性很快便可以消除。
根據電荷的起因採取措施是消除軸電流的根本辦法,例如,對於蒸汽透平產生的靜電電荷,可以用控制水蒸氣微滴的大小,改變噴嘴和葉片的材料和光潔度等,以減小液滴碰撞和摩擦起電。但是,這種措施對於已在運行中的機器往往是不現實的,它意味著需要重新設計一套防止產生軸電流的有效裝置。
五、診斷實例
例1:國內某大型化肥裝置的合成氣壓縮機組(由中壓抽注汽凝汽式蒸汽透平驅動),其透平的前端軸瓦總是發生異常磨損,每次檢修總發現軸瓦間隙嚴重超標,無論是運行一年半一次的大檢修,還是運行二、三個月的臨時停車檢修均不例外。嚴重時軸承底瓦巴氏合金完全磨去,露出大面積黃銅過鍍層,軸瓦間隙超差5倍以上,並導致對中超差十多倍,嚴重影響機組的安全穩定長期運行。
診斷意見:檢查磨損的軸瓦,發現有明顯的電蝕現象,並在另一缸體的浮環密封處發現大面積放電造成的蝕坑。根據以上現象,判定為軸電流造成的損壞。
生產驗證:在軸系末端增加放電刷后,上述問題消失,影響機組安全穩定長周期運行的隱患得以消除。
例2:國內某大化肥廠的一台大型離心式氮氣壓縮機,高壓缸多次發生止推軸承燒瓦事故,事故的主要原因經計算證明是軸向推力過大,實際軸向力超過軸承允許承載能力一倍以上。經過軸向力調整后,突然燒瓦事故得以避免,但軸承比壓和軸位移仍然較大。
分析診斷:經過檢查,發現推力盤受力面及推力瓦塊表面均有嚴重的軸承電流侵蝕,具體表現在以下兩方面。
(1)每個瓦塊上的巴氏合金沿止推盤旋轉方向磨成一斜坡,瓦塊上油楔的出口端[圖1-2(a)]磨蝕區和非磨蝕之間有著明顯的界線,磨蝕區已失去金屬光澤,非磨蝕區仍保持巴氏合金原有加工面的光澤。經過光學顯微鏡觀察,可以看到腐蝕區呈典型的電火花放電腐蝕特徵。
(2)推力盤的兩側面外貌完全不同,承力瓦塊側表面呈淺灰色,像噴過砂那樣完全沒有光澤,其上布滿電蝕凹坑,非承力側面則保持原有加工面的金屬光澤。
生產驗證:在軸承上安裝滑刷接地裝置后,上述問題得到解決,多年內未再發生「燒瓦」事故,這台機組也不再是困擾全廠生產的瓶頸問題了。   

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