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，自發(fā)電成為整個海上平臺設(shè)備的動力來源。這使得發(fā)電機組成為平臺上最為重要的設(shè)備。對于開采天然氣的平臺而言，燃氣輪機發(fā)電機組通常成為平臺上的主要發(fā)電機[4-5]。發(fā)電機組中的發(fā)電機為大型發(fā)電機，其兩端軸承為滑動軸承，潤滑方式為流體動壓潤滑。一旦發(fā)電機軸承的軸瓦潤滑出現(xiàn)異常，會導(dǎo)致發(fā)電機組出現(xiàn)停機的風(fēng)險，將會對整個海上平臺的生產(chǎn)和生活造成嚴重的影響。因此，非常有必要對海上平臺發(fā)電機的典型潤滑故障進行研究和分析。

目前，關(guān)于滑動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[6-8]、軸承潤滑異常診斷分析[9-11]、軸承振動異常診斷分析[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]通過分析徑向滑動軸承油膜形成原理及常見運動故障，總結(jié)了影響徑向滑動軸承性能的主要因素，對一種變速箱徑向滑動軸承的運行故障進行了詳細分析及優(yōu)化設(shè)計。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，得到額定負載下的油膜壓力、溫度和厚度分布，從而解釋了汽輪機發(fā)電機組滑動軸承發(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)電機在運行過程中出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，通過分析原因為發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生了軸瓦自激振動。通過調(diào)整軸承座標高、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問題。謝生鵬等[15]根據(jù)某焦化廠澆鑄軋機軸瓦的故障，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)于滑動軸承異常故障的相關(guān)研究相對詳實和全面，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)海上平臺燃氣輪機發(fā)電機組滑動軸承的異常磨損故障分析的文獻。

本文通過分析某海上平臺燃氣輪機發(fā)電機組軸瓦異常磨損的故障背景，對該潤滑系統(tǒng)的在用汽輪機油進行了油液監(jiān)測分析，就油中的磨損顆粒進行了電鏡能譜分析，并進行了綜合分析和討論，得出了該滑動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為天然氣開采平臺，其主發(fā)電機組為燃氣輪機發(fā)電機組。該發(fā)電機組主要包括燃氣輪機、齒輪箱、發(fā)電機3個部分，其中燃氣輪機使用燃氣輪機油對其滑動軸承進行潤滑，齒輪箱使用齒輪油對其齒輪和滾動軸承進行潤滑，發(fā)電機使用汽輪機油對其滑動軸承進行潤滑。燃氣輪機發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 燃氣輪機發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)示意

該發(fā)電機組在平時未進行定期的油液監(jiān)測分析，但機組配備有振動和油溫的在線監(jiān)測裝置。在2017年11月初的時候，突然發(fā)現(xiàn)該機組發(fā)電機軸承出現(xiàn)高溫報警，于是立刻從潤滑系統(tǒng)中取了油樣寄送至廣州機械科學(xué)研究院有限公司進行檢測分析，希望能夠找出發(fā)電機軸承運行時溫度過高的原因，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。

2 油液檢測分析

油液分析是一項通過檢測在用油的各項指標來反映油品油質(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、污染指標、磨損指標這3類，其中理化指標主要是通過檢測油品的各項物理和化學(xué)性能，以判斷潤滑油是否滿足設(shè)備運行的要求，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)電機軸承所用油品為進口的32號汽輪機油，取樣時發(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、抗氧化性能等進行了分析，同時為了查明金屬顆粒的來源，還對油品進行了PQ指數(shù)測試和磨粒分析。表1所示為發(fā)電機軸承在用汽輪機油的檢測項目和檢測結(jié)果，圖2所示為在用汽輪機油中的磨損顆粒。

圖2 在用汽輪機油中的磨粒

表1 在用汽輪機油檢測結(jié)果

在分析在用油數(shù)據(jù)時，參考GB/T 7596-2017《電廠用運行中渦輪機油》進行對比分析。從油液檢測的數(shù)據(jù)中可以看出，該機組的在用油的多項指標存在異常，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重，存在嚴重的氧化劣化情況，而油中有少量油泥也驗證了這一情況。

（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降低摩擦副中的油膜強度，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)備運行時因異常磨損而產(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，最大尺寸達到150μm，表明該發(fā)電機軸承存在嚴重的異常磨損。

因此，從油液分析的檢測結(jié)果，推測該機組潤滑系統(tǒng)的呼吸器可能失效，造成空氣中的水分進入到潤滑系統(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，磨損顆粒的材質(zhì)與發(fā)電機滑動軸承軸瓦的材質(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、銻等強度較小的金屬組成；第二層為銅合金層，為較薄的涂層，其強度較軸承合金要大，但是比鋼的強度要?。坏谌龑訛殇摫硨?，是滑動軸承的最底層，其厚度占比最多，硬度最大。本文中的滑動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)電機滑動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，最大達到了150μm。

圖5 軸瓦結(jié)構(gòu)

發(fā)電機滑動軸承的潤滑方式為流體動壓潤滑，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)者的研究及計算結(jié)果，流體動壓潤滑油膜的厚度一般為1～100μm[21-23]。但是本文中滑動軸承實際產(chǎn)生的鋼質(zhì)和銅合金磨粒最大尺寸已經(jīng)達到了150μm，大尺寸的顆粒會破壞油膜并進一步加劇滑動軸承的摩擦和磨損。

綜上所述，發(fā)電機滑動軸承的在用汽輪機油因為外界水分污染以及油品氧化劣化，這兩個因素共同造成了潤滑油膜的強度下降，從而使得軸瓦發(fā)生異常磨損。同時，因為過濾器濾芯精度不夠，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，大尺寸的顆粒會破壞潤滑油膜而進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重，已經(jīng)磨損到了鋼背層?，F(xiàn)場應(yīng)引起重視，并及時進行檢修。

5 結(jié)束語

（1）發(fā)電機潤滑系統(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)在嚴重的劣化情況；

（3）在用汽輪機油因為水分污染和油品劣化造成油膜強度下降，是造成發(fā)電機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，會破壞油膜并進一步加劇軸瓦的磨損；

（5）軸瓦磨損嚴重，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，并及時進行檢修。