海上平台燃气轮机发电机组滑动轴承异常磨损故障分析

时间：2024-07-28

王庆国，毛文江

（1.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452；2.广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所，广州 510530）

0 引言

海上平台被广泛用于海上石油和天然气的钻探及开采，在国民经济生产中发挥着极其重要的作用[1-3]。由于距离海岸较远，自发电成为整个海上平台设备的动力来源。这使得发电机组成为平台上最为重要的设备。对于开采天然气的平台而言，燃气轮机发电机组通常成为平台上的主要发电机[4-5]。发电机组中的发电机为大型发电机，其两端轴承为滑动轴承，润滑方式为流体动压润滑。一旦发电机轴承的轴瓦润滑出现异常，会导致发电机组出现停机的风险，将会对整个海上平台的生产和生活造成严重的影响。因此，非常有必要对海上平台发电机的典型润滑故障进行研究和分析。

目前，关于滑动轴承的异常故障研究中主要包含：轴承安装异常及优化设计[6-8]、轴承润滑异常诊断分析[9-11]、轴承振动异常诊断分析[12-14]、轴承故障修复及预防研究[15-17]等4个方面。其中，宋子义等[6]根据在检修过程中发现的几起因滑动轴承安装失误引起的故障，总结分析原因并提出了正确的安装方法；李健等[7]通过分析径向滑动轴承油膜形成原理及常见运动故障，总结了影响径向滑动轴承性能的主要因素，对一种变速箱径向滑动轴承的运行故障进行了详细分析及优化设计。赵文刚等[9]采用有限元法求解了广义Reynolds方程、能量方程和热传导方程，得到额定负载下的油膜压力、温度和厚度分布，从而解释了汽轮机发电机组滑动轴承发生的轴瓦破裂、碰磨故障的原因。俎海东等[12]根据某汽轮发电机在运行过程中出现异常振动现象，通过分析原因为发电机转子发生了轴瓦自激振动。通过调整轴承座标高、轴瓦顶隙、轴瓦侧隙、改善润滑油品质和处理轴瓦磨损，解决了轴瓦自激振动问题。谢生鹏等[15]根据某焦化厂浇铸轧机轴瓦的故障，通过总结分析轴瓦脱落的主要原因，提出了轴瓦脱落后通过焊接修复的方案，并取得了良好的效果。以上所有的这些关于滑动轴承异常故障的相关研究相对详实和全面，但是很少发现关于轴瓦异常磨损的故障研究，且未发现海上平台燃气轮机发电机组滑动轴承的异常磨损故障分析的文献。

本文通过分析某海上平台燃气轮机发电机组轴瓦异常磨损的故障背景，对该润滑系统的在用汽轮机油进行了油液监测分析，就油中的磨损颗粒进行了电镜能谱分析，并进行了综合分析和讨论，得出了该滑动轴承异常磨损故障产生的原因，并给出了相关处理措施。

1 故障背景

某石油公司海上平台为天然气开采平台，其主发电机组为燃气轮机发电机组。该发电机组主要包括燃气轮机、齿轮箱、发电机3个部分，其中燃气轮机使用燃气轮机油对其滑动轴承进行润滑，齿轮箱使用齿轮油对其齿轮和滚动轴承进行润滑，发电机使用汽轮机油对其滑动轴承进行润滑。燃气轮机发电机组结构示意图如图1所示。

图1 燃气轮机发电机组的结构示意

该发电机组在平时未进行定期的油液监测分析，但机组配备有振动和油温的在线监测装置。在2017年11月初的时候，突然发现该机组发电机轴承出现高温报警，于是立刻从润滑系统中取了油样寄送至广州机械科学研究院有限公司进行检测分析，希望能够找出发电机轴承运行时温度过高的原因，并分析设备的磨损情况，避免故障情况的加剧而造成异常停机。

2 油液检测分析

油液分析是一项通过检测在用油的各项指标来反映油品油质状态和设备润滑状态的技术[18-19]。检测分析主要包含理化指标、污染指标、磨损指标这3类，其中理化指标主要是通过检测油品的各项物理和化学性能，以判断润滑油是否满足设备运行的要求，以及油品在使用过程中是否发生了劣化；污染指标主要是检测油品的水分、油泥、粉尘等污染物质，以判断润滑系统是否收到外界污染，以及被污染的程度；磨损指标主要是检测油中的磨损金属元素和磨粒金属颗粒的含量，以判断设备的磨损部位及磨损程度。

该发电机轴承所用油品为进口的32号汽轮机油，取样时发现样品中有肉眼可见的金属颗粒沉积，初步判断设备出现了异常磨损。为了找到磨损原因，对油品的黏度、酸值、水分、污染度、泡沫特性、抗氧化性能等进行了分析，同时为了查明金属颗粒的来源，还对油品进行了PQ指数测试和磨粒分析。表1所示为发电机轴承在用汽轮机油的检测项目和检测结果，图2所示为在用汽轮机油中的磨损颗粒。

图2 在用汽轮机油中的磨粒

表1 在用汽轮机油检测结果

在分析在用油数据时，参考GB/T 7596-2017《电厂用运行中涡轮机油》进行对比分析。从油液检测的数据中可以看出，该机组的在用油的多项指标存在异常，主要表现在油品劣化、外界污染、设备磨损这3个方面。

（1）油品劣化。主要是在用油的旋转氧弹测试值较低（为80 min），而新油的旋转氧弹高于950 min，这表明油品的抗氧化性能下降严重，存在严重的氧化劣化情况，而油中有少量油泥也验证了这一情况。

（2）外界污染。主要表现为水分含量高，油中的水分含量过高会降低摩擦副中的油膜强度，造成设备的异常磨损；污染度等级高，一方面源于油中的水分和油泥颗粒，另一方面源于设备运行时因异常磨损而产生的金属颗粒。

（3）设备磨损。主要表现为PQ指数过高，以及磨粒分析中发现了少量不同材质的磨损颗粒，最大尺寸达到150μm，表明该发电机轴承存在严重的异常磨损。

因此，从油液分析的检测结果，推测该机组润滑系统的呼吸器可能失效，造成空气中的水分进入到润滑系统，从而导致在用油的水分含量偏高；润滑系统的过滤器精度不够，造成在用油中的污染颗粒和磨损颗粒没有被滤除，从而导致污染度等级偏高；油品氧化劣化严重，造成在用油的抗氧化性能下降。综上分析，在用润滑油的整体油质变差，无法满足正常的润滑需求，导致发电机轴承出现了异常磨损。

3 电镜能谱分析

电镜能谱分析是利用高能电子束来扫描样品，通过激发的电子信息来反映样品的表明形貌，并配合能谱仪进行样品的表明微区成分分析[20]，本研究中主要是为了观测磨粒图片中的白色磨粒和黄色磨粒，从而确定其具体成分及材质。在用油铁谱片中白色金属颗粒的电镜能谱检测结果具体如图3所示，黄色金属颗粒的电镜能谱检测结果具体如图4所示。

图3 白色颗粒电镜能谱检测结果

图4 黄色颗粒电镜能谱检测结果

通过对油中的磨粒进行电镜能谱分析，可以获知每种颗粒的具体元素组成，从而确定磨粒的磨损来源及部位。根据能谱结果，白色颗粒的主要元素为铁（Fe）、碳（C）、氧（O），次要元素有硅（Si）和锰（Mn）；其中C和O主要来源于残留润滑油；Si来源于外界粉尘污染；结合铁（Fe）、锰（Mn）元素含量分析，该白色磨粒材质为钢。黄色颗粒的主要元素是铜（Cu）、锌（Zn）、碳（C）、氧（O），次要元素有铝（Al）和硅（Si）；其中C和O主要来源于残留润滑油；Al、Si来源于外界粉尘污染；结合铜（Cu）、锌（Zn）元素含量分析，该黄色磨粒材质为黄铜。经确认，磨损颗粒的材质与发电机滑动轴承轴瓦的材质相符，证明了磨损颗粒来源于该轴瓦的异常磨损。

4 故障分析与结果讨论

滑动轴承的轴瓦主要分为双金属轴瓦和三金属轴瓦。其中双金属轴瓦主要由合金层和钢背层构成。而三金属构造通常由三层金属构成，第一层为轴承合金层，为较薄的涂层，主要由锡、铅、锑等强度较小的金属组成；第二层为铜合金层，为较薄的涂层，其强度较轴承合金要大，但是比钢的强度要小；第三层为钢背层，是滑动轴承的最底层，其厚度占比最多，硬度最大。本文中的滑动轴承轴瓦为双金属轴瓦，其结构示意图如图5所示。根据在用油铁谱磨粒分析和电镜能谱分析可知，发电机滑动轴承轴瓦的合金层已经磨破，已经开始磨损钢背层了，且磨损颗粒尺寸较大，最大达到了150μm。

图5 轴瓦结构

发电机滑动轴承的润滑方式为流体动压润滑，其油膜厚度由轴的转速、油品黏度、轴承载荷共同决定[21]。根据不同学者的研究及计算结果，流体动压润滑油膜的厚度一般为1～100μm[21-23]。但是本文中滑动轴承实际产生的钢质和铜合金磨粒最大尺寸已经达到了150μm，大尺寸的颗粒会破坏油膜并进一步加剧滑动轴承的摩擦和磨损。

综上所述，发电机滑动轴承的在用汽轮机油因为外界水分污染以及油品氧化劣化，这两个因素共同造成了润滑油膜的强度下降，从而使得轴瓦发生异常磨损。同时，因为过滤器滤芯精度不够，使得油品氧化劣化产生的油泥以及磨损产生的磨粒不能被滤除，大尺寸的颗粒会破坏润滑油膜而进一步加剧轴承的异常磨损。而且，在用油中已经发现较多钢质磨粒，表明轴承磨损比较严重，已经磨损到了钢背层。现场应引起重视，并及时进行检修。