發(fā)電機(jī)組軸電流故障診斷 - 全文

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　　由于轉(zhuǎn)子帶電引起軸電流最終造成機(jī)器元件損傷的情況較早出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組，故一般把軸電流形成的原因與電磁效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。隨著大型石油、化工裝置，特別是化肥裝置中蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組的應(yīng)用，軸電流影響機(jī)組長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的問(wèn)題越來(lái)越突出，它在機(jī)組的推力軸承、徑向軸承、聯(lián)軸節(jié)、浮環(huán)密封以及傳動(dòng)齒輪等部位產(chǎn)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(shí)檢測(cè)到，則會(huì)給機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)很多問(wèn)題，并可能造成機(jī)器主要元件的嚴(yán)重破壞。

　　有關(guān)軸電流故障的介紹資料比較少見，在此結(jié)合生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題做一簡(jiǎn)單介紹。

　　一、軸電流對(duì)轉(zhuǎn)子零件的損傷及其后果

　　旋轉(zhuǎn)中的軸須采用一定的潤(rùn)滑方式使轉(zhuǎn)子與軸承保持不直接接觸，即整個(gè)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與靜子之間有油膜絕緣。由于轉(zhuǎn)子對(duì)地存在電阻，一旦帶電，就會(huì)建立起對(duì)地電壓，當(dāng)電壓升高到某一數(shù)值，就會(huì)在電阻最小的區(qū)域擊穿，發(fā)生電火花放電。這種放電作用所帶來(lái)的主要后果如下：

　　(1)在放電區(qū)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(fā)生在軸瓦上則會(huì)產(chǎn)生純機(jī)械磨損;

　　(3)熔化的金屬微粒進(jìn)入潤(rùn)滑系統(tǒng)，使?jié)櫥瑒┦艿轿廴荆麄€(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑性能變壞，而且含有大量金屬微粒的潤(rùn)滑劑會(huì)降低油膜電阻，加速電火花侵蝕的進(jìn)展;

　　(4)在軸承承載區(qū)產(chǎn)生局部高溫，破壞油膜，燒壞金屬，增加磨耗，最終造成嚴(yán)重的摩擦損壞。

　　在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，最容易發(fā)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(lián)軸器的工作齒面以及浮環(huán)密封面，這些部位因運(yùn)行中的多種條件變化(如負(fù)荷、溫度、潤(rùn)滑狀況以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)等)，均有可能會(huì)使油膜和氣隙電阻減小，在這些部位引起電火花放電現(xiàn)象。

　　對(duì)于徑向滑動(dòng)軸承，軸承電蝕凹坑的發(fā)展會(huì)使巴氏合金表面受到嚴(yán)重的腐蝕，這不僅會(huì)改變軸承的原有間隙，而且表面光潔度下降還會(huì)導(dǎo)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(huì)使一部分軸瓦瓦塊失去對(duì)轉(zhuǎn)子軸頸的預(yù)負(fù)荷作用，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)容易誘發(fā)油膜渦動(dòng)，造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而不穩(wěn)定的油膜反過(guò)來(lái)又會(huì)引起軸承油膜電阻的急劇下降，使更多的軸電流通過(guò)該區(qū)域，加劇電火花作用，彼此相互激勵(lì)，最終導(dǎo)致軸承或轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的損壞。

　　止推軸承的電火花損傷是油膜過(guò)薄引起的，推力瓦塊在電火花侵蝕下很快磨耗。據(jù)國(guó)外報(bào)道，一臺(tái)渦輪發(fā)電機(jī)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(wú)法繼續(xù)工作。對(duì)于米契爾式止推軸承，推力瓦塊的電火花侵蝕結(jié)果使瓦塊不能很好地形成油膜，從而加速純機(jī)械磨損。假如軸向推力較大，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致止推軸承燒瓦或嚴(yán)重?fù)p壞，造成重大設(shè)備事故。

　　二、軸電流的成因和類型

　　軸電流的形成除了外部對(duì)轉(zhuǎn)子施加一定的電位之外，大多數(shù)則是由于下面介紹的幾種因素感應(yīng)而產(chǎn)生的。

　　對(duì)于電機(jī)類轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生軸電流的原因主要有磁力線分布的不對(duì)稱效應(yīng)以及轉(zhuǎn)軸的磁化效應(yīng)。磁力線分布不對(duì)稱通常是由于疊片層的不對(duì)稱的間隙引起的。除電機(jī)類轉(zhuǎn)子外，其他設(shè)備也會(huì)因軸的磁化效應(yīng)而產(chǎn)生軸電流。

　　軸的磁化效應(yīng)是轉(zhuǎn)軸由于各種原因而帶有磁性，例如轉(zhuǎn)子存在不平衡電流繞組使轉(zhuǎn)軸磁化，焊接、摩擦、碰撞以及電渦流裝置均可能使設(shè)備帶有磁性，并建立起磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割導(dǎo)體，會(huì)在這些零件內(nèi)感應(yīng)起一定電位，當(dāng)電位升高到足以擊穿油膜時(shí)，就形成電流回路。這種電流回路可能穿過(guò)整個(gè)轉(zhuǎn)子，也可能僅在軸承中或浮環(huán)密封中形成局部的短路電流，軸承或浮環(huán)中的短路電流又會(huì)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，磁化轉(zhuǎn)軸或其他零件(圖1-1中的兩類情況)。因此，這種磁電相互轉(zhuǎn)換，會(huì)在機(jī)組內(nèi)形成很強(qiáng)的磁場(chǎng)，并出現(xiàn)很高的電流。

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　　圖1-1 轉(zhuǎn)軸上局部短路電流感應(yīng)的磁場(chǎng)

　　現(xiàn)代大型化工裝置中蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的離心壓縮機(jī)組雖非電力設(shè)備，但有時(shí)也會(huì)形成很高的軸電流，研究證實(shí)這是一種由粒子碰撞與摩擦引起的靜電效應(yīng)。對(duì)于蒸汽透平一離心壓縮機(jī)組，多數(shù)是由于濕蒸汽粒子碰撞使轉(zhuǎn)子帶電，尤其是冷凝式蒸汽透平，末幾級(jí)的濕含量很高，水蒸氣粒子對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的碰撞和摩擦將使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生靜電效應(yīng)而帶電。因此，在冷凝式蒸汽透平中會(huì)較多地遇到軸電流問(wèn)題，而在背壓式蒸汽透平中較少發(fā)生。

　　此外，離心壓縮機(jī)和蒸汽透平轉(zhuǎn)子工作時(shí)也可能因潤(rùn)滑油引起帶電，當(dāng)潤(rùn)滑油通過(guò)過(guò)濾器時(shí)，由于濾網(wǎng)的通路很小，通常只有幾個(gè)微米，油分子與濾網(wǎng)的碰撞與摩擦?xí)?dǎo)致分子帶電。因?yàn)闈?rùn)滑油基本上是一種非導(dǎo)電介質(zhì)，即使通過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的接地管線后，油分子仍能保持帶電，并把電荷轉(zhuǎn)移到被潤(rùn)滑的軸頸表面而產(chǎn)生軸電位。當(dāng)電位升高到一定值時(shí)，將在油膜電阻最低處擊穿而產(chǎn)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(rèn)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(lái)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(zhuǎn)子與機(jī)殼連接起來(lái)，使轉(zhuǎn)子對(duì)地導(dǎo)通，消除轉(zhuǎn)軸靜電電位。此外，還有一些導(dǎo)通轉(zhuǎn)軸上電荷的方法，例如，采用電離空氣通道，采用高導(dǎo)電性能的潤(rùn)滑油或在油中加人某種添加劑，使?jié)櫥妥兂闪紝?dǎo)體。

　　對(duì)于在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生軸電流侵蝕的機(jī)器，使用改變油膜厚度的方法(例如改變油的黏度、改變潤(rùn)滑油供應(yīng)量、改變軸承速度和負(fù)荷等)也可以減小電流侵蝕的速度，實(shí)際使用證明此法有一定效果。

　　使機(jī)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(nèi))進(jìn)行絕緣，這樣在軸承和它的支承體或任何周圍導(dǎo)體之間無(wú)金屬接觸，隔斷軸電流回路。但這種方法實(shí)施困難，較少采用。

　　如果證實(shí)轉(zhuǎn)軸帶有磁性，最好的辦法是進(jìn)行消磁處理。對(duì)于由不平衡繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸的磁化效應(yīng)，可以通過(guò)附加中性繞組來(lái)降低由這種效應(yīng)所產(chǎn)生的電流。如果這種方法不易實(shí)現(xiàn)，則可采用增加穿過(guò)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(lái)滿足這個(gè)要求。對(duì)于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子由于加工制造或其他原因造成的轉(zhuǎn)子帶磁，可以使用專門的消磁裝置進(jìn)行消磁處理，這種裝置的原理是將轉(zhuǎn)子置于一個(gè)交變磁場(chǎng)中，由于這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度極高，轉(zhuǎn)子的磁性很快便可以消除。

　　根據(jù)電荷的起因采取措施是消除軸電流的根本辦法，例如，對(duì)于蒸汽透平產(chǎn)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(duì)于已在運(yùn)行中的機(jī)器往往是不現(xiàn)實(shí)的，它意味著需要重新設(shè)計(jì)一套防止產(chǎn)生軸電流的有效裝置。

　　五、診斷實(shí)例

　　例1:國(guó)內(nèi)某大型化肥裝置的合成氣壓縮機(jī)組(由中壓抽注汽凝汽式蒸汽透平驅(qū)動(dòng))，其透平的前端軸瓦總是發(fā)生異常磨損，每次檢修總發(fā)現(xiàn)軸瓦間隙嚴(yán)重超標(biāo)，無(wú)論是運(yùn)行一年半一次的大檢修，還是運(yùn)行二、三個(gè)月的臨時(shí)停車檢修均不例外。嚴(yán)重時(shí)軸承底瓦巴氏合金完全磨去，露出大面積黃銅過(guò)鍍層，軸瓦間隙超差5倍以上，并導(dǎo)致對(duì)中超差十多倍，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行。

　　診斷意見：檢查磨損的軸瓦，發(fā)現(xiàn)有明顯的電蝕現(xiàn)象，并在另一缸體的浮環(huán)密封處發(fā)現(xiàn)大面積放電造成的蝕坑。根據(jù)以上現(xiàn)象，判定為軸電流造成的損壞。

　　生產(chǎn)驗(yàn)證：在軸系末端增加放電刷后，上述問(wèn)題消失，影響機(jī)組安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行的隱患得以消除。

　　例2：國(guó)內(nèi)某大化肥廠的一臺(tái)大型離心式氮?dú)鈮嚎s機(jī)，高壓缸多次發(fā)生止推軸承燒瓦事故，事故的主要原因經(jīng)計(jì)算證明是軸向推力過(guò)大，實(shí)際軸向力超過(guò)軸承允許承載能力一倍以上。經(jīng)過(guò)軸向力調(diào)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(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)推力盤受力面及推力瓦塊表面均有嚴(yán)重的軸承電流侵蝕，具體表現(xiàn)在以下兩方面。

　　(1)每個(gè)瓦塊上的巴氏合金沿止推盤旋轉(zhuǎn)方向磨成一斜坡，瓦塊上油楔的出口端[圖1-2 (a)]磨蝕區(qū)和非磨蝕之間有著明顯的界線，磨蝕區(qū)已失去金屬光澤，非磨蝕區(qū)仍保持巴氏合金原有加工面的光澤。經(jīng)過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，可以看到腐蝕區(qū)呈典型的電火花放電腐蝕特征。

　　(2)推力盤的兩側(cè)面外貌完全不同，承力瓦塊側(cè)表面呈淺灰色，像噴過(guò)砂那樣完全沒有光澤，其上布滿電蝕凹坑，非承力側(cè)面則保持原有加工面的金屬光澤。

　　生產(chǎn)驗(yàn)證：在軸承上安裝滑刷接地裝置后，上述問(wèn)題得到解決，多年內(nèi)未再發(fā)生“燒瓦”事故，這臺(tái)機(jī)組也不再是困擾全廠生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題了。