案例丨某厂空分机组汽轮机轴位移问题分析
1. 设备概述
该空分机组由汽轮机驱动，工作机包括空压机和增压机。其中，汽轮机型号为NKS50/63/28，空压机型号为RIK100-4，增压机型号为RZ35-7。机组调速范围为4238r/min~5933r/min，额定运行转速为5650 r/min。
汽轮机进汽压力为3.72MPa，进汽温度为430°C，排汽压力为0.016MPa。推力轴承型式为金斯伯雷，轴位移报警门限为±0.50mm，联锁门限为±0.70mm。
2. 故障现象
机组正常运行期间，各设备振动幅值均不高，其中汽轮机振动值保持在15μm左右，空压机振动幅值低于15μm，齿轮箱高、低速轴振动幅值均在15μm以下，增压机振动幅值在30μm，总体振动幅值趋势均比较平稳，从相关图谱评估，振动表现无异常。
机组中修后，自2020年2月15日起开始启机运行，起初各监测参数均比较稳定，但在一周后，汽轮机轴位移出现了缓慢变化的趋势，两通道轴位移数值分别从-0.12mm和-0.20mm缓慢变化，一直到2020年7月4日停机时，汽轮机轴位移数值分别变化至-0.45mm和-0.56mm，累计变化范围达到0.35mm，触发报警门限。
在此期间，汽轮机主推力轴承温度也有同步变化，从65°C缓慢上涨至80°C左右。而同一时间段内，监测的压缩机低压缸和高压缸轴位移数值和推力轴承温度均无明显变化。
3. 故障分析及结论
查看此时间段内，查看汽轮机轴位移传感器的GAP电压趋势，两通道GAP电压值分别从初始的-11V和-12V左右变化至-13.5V和-14.5V，变化范围达2.5V左右，经过计算，GAP电压值的变化量与位移值的变化基本吻合（1V对应125μm），评估此数值变化为设备真实轴位移数据，排除仪表方面的异常因素。
另外，从GAP电压数值的变化上看，表现为位移盘在逐渐远离传感器探头，结合机组的结构和传感器布置位置，判断转子在向着主推力方向缓慢变化。
机组在运行过程中，转子逐渐向主推力方向变化一般与轴向力变化或者推力轴承磨损有关。
针对轴向力发生改变，一是与负荷调整有关。此机组在运行期间，汽轮机的调汽阀和压缩机防喘振阀门均未进行过主动调节，且压缩机两个缸的轴位移数值和推力轴承温度都没有明显变化，故可排除负荷调整方面因素；二是与汽轮机通流部分结垢有关。
通过查看振动趋势，1X幅值和1X相位均没有明显变化，而且对于判断通流部分是否结垢的一个关键指标--轮室压力上看，也无明显变化，所以基本可排除结垢方面的因素。
针对推力轴承磨损方面，一是与残余轴向力较大，推力轴承不能完全平衡掉轴向力，此一般与设计有关，在新机组上可能存在此问题；二是推力轴承出现润滑不良或者电流腐蚀有关。
经过了解，该机组上次检修时，在推力轴承及支撑轴承上均发现有不同程度的微小的黑色凹坑，怀疑此为轴电流腐蚀所致。为排查此问题，建议用户利用在汽轮机转轴上的裸露位置外接导线测量轴电压值。
经现场人员检测，发现在转子旋转时，转子的轴电压值在60V~80V左右，转子上的确有轴电压存在，由此判断此问题与轴电流腐蚀有关。因推力轴承处存在电腐蚀现象，导致推力瓦块表面的巴氏合金出现磨损，推力轴承抵消残余轴向力的能力下降，轴位移和轴承温度都出现了缓慢变化的情况。
在旋转机械转子系统中，大部分机组采用的都是滑动轴承，转子在高速旋转时与轴承之间有油膜绝缘。
由于转子对地存在电阻，一旦带电，就会建立起对地电压，当电压升高到某一数值，就会在电阻最小的区域击穿，发生电火花放电。而机组中最容易出现电火花放电的部位就是在径向轴承和推力轴承的承载面上。
对于径向滑动轴，轴承电蚀凹坑的发展会使巴氏合金表面受到严重的腐蚀，这不仅会改变轴承的原有间隙，而且表面光洁度下降还会导致轴承表面的擦伤和擦痕、局部高温和烧伤。推力轴承的电火花烧伤是油膜过薄引起的，一般推力瓦块在电火花的侵蚀下很快磨耗。
基于此，建议机组在运行时，可尝试降低油温至设计下限，并提高汽轮机推力轴承处的支管油压，以增加进油量。
4. 故障验证
机组运行至2020年7月7日，利用停产间歇对汽轮机推力轴承进行了拆解检查。
发现在主推力轴承侧每个瓦块的巴氏合金上，沿止推盘旋转方向均磨出一个斜坡，瓦块上油楔的出口端磨蚀区和非磨蚀区之间存在明显的界线，磨蚀区已失去金属光泽，而非磨蚀区仍保持巴氏合金原有的加工面光泽。
观察推力盘两侧外观也不相同，主推力侧表面呈浅灰色，像喷过砂一样没有光泽，表面布满了点蚀凹坑，而副推面仍保持加工面的金属光泽。此为推力轴承出现电腐蚀的典型特征。
轴电流的形成除了外部对转子施加一定的电位之外，大多数则是与下面的几种因素感应而产生的：
对于电机类转子，产生轴电流的原因主要是磁力线分布的不对称效应与转轴的磁化效应。磁力线分布不对称通常是由于叠片层的不对称间隙引起的。除电机类转子外，其它设备也会因轴的磁化而产生轴电流。
现代大型化工装置中由蒸汽透平驱动端离心机组，虽非电力设备，但有时也会形成很高的轴电流。经查阅相关资料，这是一种由粒子碰撞摩擦引起的静电效应。
对于蒸汽透平—离心压缩机组，多数是由于湿蒸汽粒子碰撞使转子带电，尤其是冷凝式蒸汽透平，末几级的湿度含量较高，水蒸气粒子对转子叶片的碰撞和摩擦引起的静电效应而带电。因此在冷凝式蒸汽透平中会比较多的遇到轴电流问题，而在背压式蒸汽透平中较少发生。
此外，离心压缩机和蒸汽透平转子工作时也可能因润滑油引起带电，当润滑油通过过滤器时，由于滤网通路很小，通常只有几微米，油分子与滤网的碰撞与摩擦会导致分子带电。当电位升高到一定值时，将在油膜电阻最低处击穿而产生电火花放电。
减小或消除轴电流引起的损伤，主要手段是限制轴电压的升高，一般认为，足以引起轴电流损伤的电压在20V以上，典型的轴承损伤电压在30～100V之间。如果把轴电压降到1V以下，基本上就可以消除轴电流带来的故障。限制和降低轴电压主要方法就是增加接地装置，例如用炭刷使转子对地导通，消除转轴静电电位。
对于在运转过程中已经发生轴电流侵蚀的机器，使用改变油膜厚度的方法(例如改变油的黏度、改变润滑油供应量、改变轴承速度和负荷等)也可以减小电流侵蚀的速度，实际使用证明此法有一定效果。
对于蒸汽透平产生的静电电荷，可以用控制水蒸气微滴的大小，改变喷嘴和叶片的材料和光洁度等，以减小液滴碰撞和摩擦起电。但是，这种措施对于已在运行中的机器往往是不现实的，它意味着需要重新设计一套防止产生轴电流的有效装置。
针对该案例中的汽轮机轴电流问题，建议用户在下次检修时在轴端加装导电刷，使转子对地导通，消除转子静电电位。当然为彻底去除转子上轴电压，若有条件最好将转子返厂做测磁、消磁处理。