1000 MW级机组低压缸轴承低速碾瓦原因分析及防控措施

234电力与能源
第41卷第2期
2020年4月DOI：10.11973/dlyny202002020
1000MW级机组低压缸轴承低速碾瓦原因分析
及防控措施
刘福东
（神华福能发电有限责任公司，福建石狮362700）
摘要：以某电厂1000MW级超超临界机组低转速下时低压缸轴承碾扎事故为例，结合事故数据、事故过程曲线以及轴承翻瓦检査情况等，对低转速下碾瓦机理及事故发生的原因进行分析.指出了低压缸轴承座变形以及轴承自位性能不良为引发事故的主要原因.通过在检修工艺控制、轴承供油结构改进和运行调整方面采取关键措施，可有效预防事故发生.保障汽轮机设备的安全运行。

关键词：1000MW超超临界机组；汽轮机低压缸；轴承
作者简介：刘福东（1982—）,男，工程师，从事发电厂汽轮机技术和设备管理工作。

中图分类号:TM62文献标志码：B 文章编号：2095—1256（2020）02—0234—05
Cause Analysis and Prevention Measures for Low Pressure Cylinder Bearing
Shell Damage at Low Speed in1000MW Unit
LIU Fudong
(Shenhua Funeng Power Generation Co.,Ltd.,Shishi362700,Fujian Province,China)
Abstract:Based on the case study of a1000MW ultra-supercritical unit at low speed in a power plant where the low pressure cylinder bearing had the grinding accident,this paper analyzes the causes according to the ac­cident data,accident process curve and bearing shell inspection.The result shows that the low pressure cylin­der bearing housing deformation and bearing self-aligning poor performance are the main causes for the acci­dent.The maintenance process control,the bearing oil supply structure improvement and operation adjustment are the key measures to effectively prevent the accident,and ensure the safety of the steam turbine equipment. Key words:1000MW ultra-supercritical unit；steam turbine low pressure cylinder；bearing
随着超（超）临界机组数量的不断增加，已成为电网主力机组。

在实际工程中，大型汽轮机在额定转速运行时，转子高速旋转，轴承和转子间能建立良好的润滑油膜；但在低速运行时，特别是机组启、停过程或盘车时，由于受轴承荷载分布、油粘度低和混入杂质等因素影响，轴承易处于边界润滑状态或干摩擦状态，甚至发生汽轮机低转速下轴瓦碾损（以下简称碾瓦）事故卩心。

若载荷过重，轴承易出现瓦温高、碾瓦和乌金碎裂等故障；若载荷过轻•轴承易出现油膜失稳故障冲】。

本文立足工程实践，结合某电厂1000MW超超临界机组汽轮机型的工艺特点，分析某次低转速下时低压缸轴承碾瓦事故案例，发现低压缸轴承座变形以及轴承自位性能不良为引发事故的主要原因，并提出改进措施⑺。

1机组概况
电厂安装两台1000MW机组，配套东方汽轮机有限公司（以下简称：东汽）引进日立技术制造生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机，机型号N1OOO-26.25/600/ 600.汽轮机轴系由8个轴承支撑，其中：高中压缸1-4号支撑轴承为自位性能较好的可倾瓦轴承；A、B低压缸5-8号支撑轴承为承载性较好的椭圆瓦轴承，每个轴承下半设有3个温度测点，编号为1、2、3,5-8号低压轴承配置有顶轴油管路。

轴系及轴承分布简图如图1所示，5-8号低压轴承结构示意图如图2所示。

刘福东：1 000 MW 级机组低压缸轴承低速碾瓦原因分析及防控措施
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高压转了巾压转了
A 低压转了
B 低压转子
辱电机转f
li rl k \ P hi|
5号.
、6号7%
8号'|O 号
图1轴系及轴承分布简图
I 号号3号号图2低压轴承结构示意图
2事故过程及检查情况
机组自2015年投产以来，发生两次碾瓦事
故。

下面选取2018年4号机7号轴承低速碾瓦 事故经过及检查情况进行重点介绍。

事故曲线如
图3所示，温度变化数据表如表1所示。

2018年11月2日22 = 50,4号机组解列，锅 炉MFT,汽轮机跳闸开始惰走。

4号机的润滑油 压力0. 18 MPa 、温度40°C,汽轮机转速至2 500
r/min 时顶轴油泵自启动运行，顶轴油母管压力
19 MPa ；汽轮机各轴承温度正常，随转速降低，轴
承温度平缓下降。

2018年11月2日23：22,4号机汽轮机转速
降至约450 r/min,监盘发现低压缸7号轴承温度
测点1和2,分别由68°C 、63°C 快速上涨并间断性 变坏点，温度测点1最高涨至127°C,温度测点2
最高103°C.温度测点3为54°C 基本不变。

2018年11月2日23：24,4号汽轮机7号轴承温度1、2开始下降;23：25强制破坏凝汽器真
空；23：26,7号轴承温度测点1和2下降至70°C 和71°C,其他轴承温度正常。

2018年11月2日23：45,4号机汽轮机惰走
表1
2018年11月2日，4 完毕，惰走时间55 min,投连续盘车，偏心30
正常。

-―转速1由线
21 \
\ '
7
•7》轴爪加度3图3发生低速碾瓦事故曲线
根据2016年3号机低速碾瓦事故经验，判断
4号汽轮机7瓦发生低速碾瓦，停机后对7号轴 承进行解体翻瓦检查，发现下半轴瓦乌金表面靠 汽轮机调侧部位（低压缸外侧）存在明显碾扎，局 部高温烧灼发黑.而电机侧（低压缸内侧）乌金表
面相对轻微。

7号轴承乌金碾扎实物照片见图4。

图4
7号轴承乌金碾扎实物照片
3低速碾瓦机理及原因分析
3. 1乌金碾轧机理分析
常规分析认为，乌金碾扎是在汽轮机高速运 转时产生的，由于轴系中心调整不当等原因•轴承 过载，导致油膜厚度减薄，乌金温度过高造成乌金
号汽轮机惰走过程中1瓦温度变化数据表
时间
机组转速/
(r • min - 1 )
7号瓦温度1/
°C
7号瓦温度2/
°C
7号瓦温度3/
°C
备注
22：493 00094.594. 880. 3温度测点1和3偏差14. 5V 23：001 500
87.986.867. 9
温度测点1和3偏差20°C 23：071 0007& 276. 160. 4温度测点1和3偏差17.8°C
23：2050069.2
63.654. 3温度测点1和3偏差14.9123：22450
1146653. 3发生碾瓦•温度陡升
23：2442012782. 953. 4温度1升髙至127°C
23：2540010410353. 8开始破坏真空
23：31
150
59. 9
59.5
51.
2
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碾扎。

实际上乌金的碾扎.绝大多数是在停机惰
走至低转速下时发生的。

抛开乌金碾扎•瓦温升
高大多数发生在较高转速.这是因为当轴瓦载荷
偏大时，随着转速升高发热量随之增大，瓦温势必
升高。

很多情况下运行瓦温即使高达iio°c,停
机检查乌金也未发现碾扎现象.在该厂实际检修
中也得到印证。

但若瓦温持续升高，伴随乌金强
度、硬度下降.乌金也很可能在高转速下会发
生碾扎。

乌金在不同温度下力学性能见表2⑺。

表2不同温度下ZCHSnSb8-l(8-4锡铸轴承合金)力学性能
温度/°c HB
2/
(N・mm：
o\,
!X N•mm')
8/¾
(N•mm2
«t-b/
X N•mm2)
1824.056781&543112
2522.37043105
501&24564243381
7514.8542765
10011.33345232147
15010.8172732一-
200 2.3131829.4
正常未破坏真空情况下停机时，转速惰走时间可长达数十分钟.当转速下降至500~150r/ min时，油膜厚度逐渐减薄、油膜刚度降低。

此时油膜又会与顶轴油互相干扰(油膜基本上完全按照转子旋转方向运动，而顶轴油是以顶轴油孔为中心向四周运行，既有与油膜同向的流动，又有与油膜反方及垂直方向的流动)，油膜难以稳定发挥作用，是轴承润滑条件最差的阶段，若轴承本身存在过载等不利因素.容易发生轴颈与乌金半干摩擦，使乌金发生碾扎。

在机组启动阶段，首先开启顶轴油泵，将轴颈顶起，且汽轮机启动升速率不会低于100r/min,由于升速率高，很快就形成油膜，使得轴颈与乌金始终有效地隔离开，因此启动过程中一般情况下不会乌金碾扎。

此外，当转速进一步降低至150r/min以下时，轴颈旋转线速度下降.摩擦力降低，发热量亦降低。

同时.随着转速降低顶轴油受到的干扰也逐渐减小，将更趋于稳定地发挥作用•一般也不容易发生低速碾瓦问题。

3.2低压轴承低速碾瓦原因分析
(1)该型汽轮机低压轴承座悬挂安装在低压外缸上(俗称：坐缸结构)•轴承座刚度相对较差，受低压缸真空影响轴承座整体向缸内侧发生一定程度倾斜变形.尤其是位于两个低压缸中部的6号和7号轴承，刚度最弱.受真空力影响最大。

以7号轴承为例.由于轴承球面与瓦枕存在卡涩.轴承自位性能降低.轴承无法自动调整适应、贴附轴颈表面运行.造成靠低压缸外侧部位，即测点1和测点2所对应测温部位乌金载荷增大。

当汽轮机转速下降至500r/min以内的油膜不稳定区间时•由于轴承局部偏载过大.轴颈与乌金表面产生半干摩擦.发生了低速碾瓦事故。

(2)该机型每个低压轴承瓦面两个顶轴油囊设计共用一路供油，当7号轴承座向低压缸内侧发生倾斜变形，且轴承自位不良时•轴瓦与轴颈表面产生微小张口.顶轴油沿张口部位泄流.导致该轴承顶轴油压力降低、油膜减薄.进一步加剧碾瓦的可能。

2018年11月4号机停机过程中，据现场人员反馈，随着汽轮机转速下降.各轴承顶轴油就地供油压力表显示值逐渐升高。

但7号轴承顶轴油压力上升较慢且同转速下压力较其他轴承低3〜5MPa,—定程度上印证了轴承瓦面倾斜，顶轴油泄压的论证。

低压轴承编载运行示意图如图5
图5低压轴承偏载运行示意图
(3)不排除低压轴承弧形瓦枕经过一段周期运行，可能发生不可预测的轻微变形，轴承球面与瓦枕表面接触情况发生改变，瓦枕和轴承“抱死”导致轴承自位能力下降。

4号汽轮机7号轴承解体检查轴承球面与瓦枕表面，发现明显存在高点，接触情况不良的问题。

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4改进措施及优化
4.1检修工艺措施
由于坐缸式轴承座整体结构设计难以更改,在低压缸真空力作用低压轴承座不可避免发生一定程度变形.故为解决汽轮机低速碾瓦，重点从如何提高轴承自位性能以适应轴承座变形和改善轴承润滑条件等方面入手。

(1)首先对发生碾扎的轴瓦表面进行补焊、修复，修后检查轴瓦与轴径表面接触达到75%以上，均匀分布，探伤检测合格方可继续使用。

(2)轴承球面和瓦枕接触情况检查、对研修刮，确保轴承在瓦枕内具有良好自位活动能力。

组装上、下半轴瓦，并在瓦背球面上涂抹红丹粉,然后把合上、下半瓦枕.检查两者接触情况，应达到以下要求：①正下部90°范围内接触面积应大于90%；②在上、下水平部位60°范围内修刮瓦体外球使球面不接触，且在瓦体和瓦套的中分面结合处用塞尺检查，保证0.05〜0.10mm塞尺的插入深度在80mm以上；0.01~0.03mm塞尺的插入深度在200mm以上；③球面的顶部不接触.切不可有局部硬接触。

若检查不满足要求，继续修磨球面。

(3)球面修刮、接触情况检查合格后.把紧球面和瓦枕后，在瓦体下半架百分表，同时用铜棒敲击瓦体上半.观察百分表指针是否摆动.保障轴承自位性能，必要时重新修刮球面，消除接触高点。

(4)调整轴承球面间隙至标准上限，提高自位活动能力.补偿热态下瓦枕轻微变形发生卡涩。

(5)将6号和7号轴承的润滑油进油节流孔板直径由37.5mm扩大至41.6mm,增加轴承润滑冷却量。

(6)回装阶段.把合上、下半瓦枕螺栓时.应采用力矩扳手.并严格按安装说明书要求力矩及次序紧固瓦枕把合螺栓，避免紧固力矩过大，导致瓦枕变形与轴承“抱死”，把紧力矩为880〜980N•M(90〜100kg•m),以下限值880N•m为目标。

(7)轴承回装时，应严格管控洁净化施工，一旦颗粒等杂物残留在瓦枕和轴承球面之间，易造成两者卡涩，影响轴承自位活动性能。

(8)回装后，重新进行抬轴试验，确保各轴承顶轴油压建立正常，大轴抬起高度满足设计要求。

检修测量数据记录表如表3所示。

表34号机7号轴承检修测量数据记录表检修前后
轴瓦球面
间隙/mm
轴瓦顶部
间隙/mm
顶轴油压/
MPa
抬轴高度/
mm
质量标准0.04〜0.090.85〜1.00NO.02
修前0.040.8717.0
修后0.080.8717.20.06
(9)此外.结合等级检修时机，对6,7号低压轴承顶轴油供油管道进行了改造.实现低压轴承瓦面两个顶轴油囊单独供油，就地设置可调节阀门及就地供油压力表指示。

当机组运行时受真空力作用低压轴承瓦面发生倾斜、轴承自位性能差、局部载荷大.瓦温偏高威胁设备安全运行时，可关闭瓦温相对低部位供油阀门，打开载荷大部位供油阀门，启动顶轴油，强行轴承“校位”，并且通过对载荷偏大部位进行强制进油冷却，可有效抑制瓦温。

低压轴承改造及管路改造示意图，见图6、图7。

改造过程中应重视轴承顶轴油孔加工工艺封堵件的固定情况，避免封堵不严脱离.影响油膜
图6轴承加工图
028x4
6B
414x2
.不锈钢弯头
.不锈钢管道
寸
X
F
P
X
图7顶轴油管道改造布置示意图
4.2运行控制措施
通过经验总结发现，该型汽轮机低压轴承停机低转速下发生碾瓦具有偶发性和不完全确定
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性.但通过提前预判.在停机过程中改变运行方式、调整相关参数.很大程度上是可以避免的，该厂后续采用下述措施.未再发生停机低速碾瓦事件。

主要运行措施如下。

(1)除非紧急停机.机组正常停机打闸前，先将主机润滑油供油温度降至36°C.提高油液粘度.一定程度增加低转速下油膜厚度。

(2)机组打闸前，在规程允许范围内，适当开大轴封减温水，尽可能降低低压轴封供汽温度.减少热传导对轴瓦温度的影响。

(3)机组打闸后.随即启动交流润滑油泵(TOP).启动油泵(MSP)、顶轴油泵，并注意顶轴油电流不超额定，否则并入第二台顶轴油泵运行；停止真空泵运行。

(4)在提前预判某低压缸轴承存在自位能力差、偏载问题时(建议以该轴承不同部位温度测点偏差小于10°C为参考)，在不影响低压末级叶片安全的前提下尽快，宜采取破坏真空停机方式。

根据经验，当汽轮机转速下降至1500r/min时破坏真空比较适宜。

破坏真空停机主要作用有两点。

1)可减轻低压轴承座变形，改善由于轴承本身自位性能不好导致的偏载；
2)可缩短转子惰走时间.使转子较快地通过轴承润滑条件最差的阶段，减少对乌金的损坏。

(5)在机组打闸惰走降速过程中，设专人在就地顶轴油压表处监视各转速阶段的顶轴油压值.检查确认各轴承顶轴油压随转子转速下降油压保持上升趋势，且5号至8号低压轴承顶轴油圧偏差小于3MPa。

(6)当汽轮机转速600r/min以下时，各瓦顶轴油膜压力应大于13MPa,否则手动调大供油压力。

(7)汽轮机惰走过程中，调取5号至8瓦轴承温度曲线，观察随转速降低轴瓦温度是否平滑下降，重点观察每个低压轴瓦调侧和电测部位温度测点显示偏差是否有逐步缩小态势.若随转速下降某个轴承调侧和电测部位对应测点温度仍存在较大偏差.说明该轴承卡涩、偏载问题较为严重，低转速下存在较大碾瓦概率，应重点关注，必要时适当调升该轴承顶轴压力，改善润滑条件。

5结语过低速碾瓦事故，主要原因为轴承自位性能变差，无法克服轴承座变形等因素影响，致使轴瓦局部载荷过大，并在油膜形成条件不好的低转速区间，发生了局部碾扎。

通过检修工艺控制.可在一定程度上恢复轴承自位能力，但实际运行中存在金属热变形或应力释放等因素，轴承自位能力可能发生改变。

对此在停机过程中.通过预判轴承自位性能及偏载情况，人为改变停机运行方式及合理调节控制参数，后续机组多次停机均未再发生低压轴承低速碾扎事件,设备损坏风险得到有效控制，保障了主设备安全。

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收稿日期:2019-12-18
(本文编辑：赵艳粉)
该厂两台机组低压轴承在停机过程中均发生。