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0 引言
頂軸油系統(tǒng)是電站關(guān)鍵的汽輪機輔助配套系統(tǒng)， 其可靠性和穩(wěn)定性對汽輪機的運轉(zhuǎn)影響極大。本文主 要研究了某電廠二期 3# 、4# 機組頂軸油系統(tǒng)故障率高 的問題，并提出相關(guān)整改措施，取得了良好的治理效 果，可以為同類機組的運維提供參考借鑒。 1 系統(tǒng)設(shè)備及故障問題 1.1 系統(tǒng)概況 某電廠 3# 、4# 機組為 660 MW 超超臨界二次中間 再熱凝汽式汽輪機組，汽輪機潤滑油系統(tǒng)配套有主機 頂軸油分系統(tǒng)（圖 1）。主機頂軸油系統(tǒng)配套 3 臺頂軸 油泵，每臺泵出口經(jīng)過 1 個模塊后，3 路匯聚到 1 個總 模塊再經(jīng)母管分配套各個軸瓦。 1.2 存在的問題 3# 、4# 機組自 2018 年投產(chǎn)以來，頂軸油系統(tǒng)故障 率較高，主要故障現(xiàn)象為系統(tǒng)油壓低、油壓波動、不起 壓等。頂軸油系統(tǒng)的頻繁故障嚴重了威脅汽輪機的正 常運行。2021 年，該電廠在 3# 、4# 機 B 修期間對各軸瓦 進行檢修，檢查發(fā)現(xiàn)多個瓦的烏金損壞，特別是 1# ~3# 瓦出現(xiàn)烏金大塊脫落，破損嚴重。主機頂軸油系統(tǒng)運行 異常導致汽輪機軸瓦損壞，影響機組安全。 由圖 2 可以看出，3# 、4# 機組頂油油系統(tǒng)故障次數(shù) 呈上升趨勢。頂軸油系統(tǒng)頻繁故障已經(jīng)成為影響機組安 全可靠運行的重大威脅，急需進行系統(tǒng)的分析和處理。
2 頂軸油系統(tǒng)故障原因分析
電廠頂軸油系統(tǒng)故障主要分為液壓模塊故障和其 他故障，其他故障主要集中在頂軸油管脫落故障，且故 障頻次有上漲趨勢。
對頂軸油系統(tǒng)故障率高的原因進行系統(tǒng)查找，對人、 機、料、法、環(huán) 5 個要素進行要因分析，最終找到了 5 個影 響因素，分別是預(yù)防性檢修計劃周期設(shè)置過長、油泵出口 模塊設(shè)計不合理、軸封漏汽量大、在線濾油機流量不 足、軸承軟管接頭選型不合理等，具體分析結(jié)果如下。
2.1 預(yù)防性檢修計劃周期設(shè)置過長
頂軸油系統(tǒng)模塊為進口設(shè)備，按照說明書要求每 3年執(zhí)行 1 次檢修，每次檢修需外委給專業(yè)的液壓檢修公 司進行檢修和試驗。另外，由于二次再熱汽輪機軸瓦的 特殊設(shè)計，有的軸瓦在檢修過程中翻入、翻出時，需要投 運頂軸油系統(tǒng)頂起汽輪機轉(zhuǎn)子，否則無法翻瓦。這就造成 3# 、4# 機組在每次等級檢修時，如果有軸瓦檢修項目， 為了保證順利翻瓦，頂軸油模塊都未能外委出廠檢修。 由此可知，設(shè)備未能按規(guī)定進行針對性的檢查檢修，預(yù)防性檢修計劃沒有進行及時調(diào)整，檢修周期不能 適應(yīng)設(shè)備實際運行狀況的需要，導致頂軸油系統(tǒng)每年 故障率居高不下。
2.2 油泵出口模塊設(shè)計不合理
根據(jù)圖 3 可知，頂軸油油泵出口通道至逆止閥前， 分別并聯(lián)接入了 1 個調(diào)壓閥（溢流閥）和 1 個電磁換向 閥。在泵啟動前 10 s 內(nèi)，電磁換向閥處于失電狀態(tài)，與 回油管路聯(lián)通，頂軸油泵出口油通道卸油。泵啟動 10 s 后，電磁閥上電，關(guān)閉油路，油泵對頂軸油母管正常供 油。這樣設(shè)計可以很好地排出空氣，還可以避免油泵在 啟動過程中突然全出力造成憋泵，以防止油泵損壞。
該電廠的電磁閥設(shè)計了 5 個通道，包括 2 個回油 通道、1 個壓力油通道、1 個 A 路供油通道、1 個 B 路 供油通道。電磁閥的 2 個回油口對稱布置，在電磁閥內(nèi) 部是導通的。而用于安裝電磁閥的模塊則只設(shè)計了 4個 油口，也就使電磁閥的一個回油口處于悶死狀態(tài)，這樣 設(shè)計本身可以滿足系統(tǒng)泄壓流量要求。但是在當油質(zhì) 較差的情況下，這種設(shè)計方式導致悶死的回油口由于沒有油通過，使雜質(zhì)容易在該位置聚集，長時間運行后 會導致電磁閥閥芯卡澀（圖 4）。因此，油泵出口模塊設(shè) 計不合理也是頂軸油系統(tǒng)故障率高的原因之一。
2.3 軸封漏汽量大
頂軸油泵出口切換 電磁閥故障是造成頂軸 油泵不出力或者出力低 的主要原因。除了模塊設(shè) 計缺陷導致雜質(zhì)聚集外， 其閥芯本身以及閥體生 銹也是造成卡澀的重要 原因，而油中帶水是引起 液壓系統(tǒng)電磁閥內(nèi)部生 銹的主要原因。 經(jīng)檢測，3# 、4# 機組均 存在潤滑油微水值經(jīng)常超標的情況，導致電磁閥的閥 芯容易生銹、閥芯卡澀，油泵啟動 10 s 后，電磁閥上電 后無法關(guān)嚴，壓力油從電磁閥處卸走，頂軸油母管油壓 無法建立，造成系統(tǒng)故障。 經(jīng)過系統(tǒng)檢查，發(fā)現(xiàn)油中水的來源主要是軸封漏 汽。通過對 3# 、4# 機每個缸的軸封進行專項檢查，確定 3# 機的高壓缸前、后軸封、4# 機的超高壓缸前軸封漏汽 較大，在機組長期高負荷工況下漏汽量加大，導致潤滑 油微水超標，是造成頂軸油系統(tǒng)故障率高的原因之一。
2.4 在線濾油機流量不足
3# 、4# 汽輪機的潤滑油系統(tǒng)各配備了 1 臺 HCP100 （PALL）型濾油機，最大處理流量為 100 L/min。然而在 水分較高的情況下，該濾油機無法滿足濾油出力要求。 特別是機組長期高負荷運行期間，過濾時間長、過濾油 質(zhì)無法達到合格值，這種情況可能引發(fā)油泵損壞、電磁 閥卡澀等問題。因此，配套的在線濾油機處理流量不 足，無法對油質(zhì)進行有效控制，是導致頂軸油系統(tǒng)發(fā)生 故障的重要原因。
2.5 軸承頂軸油軟管接頭選型不合理
3# 、4# 機組軸承頂軸油供油軟管經(jīng)常發(fā)生脫落故 障，更換新接頭也無法解決脫落的情況。對 3 家電廠同 類型的 6 臺機組進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)上汽二次再熱汽輪機 的軸承頂軸油管普遍存在易脫落的問題，對軸承油膜 剛度、頂軸油系統(tǒng)壓力造成不利影響。頂軸油管頻繁脫落問題普遍存在于同類機型，說 明該軟管接頭的選型存在嚴重問題。經(jīng)過解體研究，該 類型活接的云頭通過脹管方式固定在加長短管上，這 種連接方式在長期高壓油作用下很容易脫開，造成泄 漏、脫落。因此，軸承頂軸油活結(jié)頭選型不合理，是造成 頂軸油系統(tǒng)異常的重要原因之一。
3 軸封漏汽問題解決
3.1 漏汽點分析
對 3# 、4# 汽輪機軸封漏汽情況進行檢查，3# 機組為 高壓缸前、后軸封泄漏，4# 機組為超高壓缸前軸封泄 漏。由于二次再熱機組大修周期為 10~12 年，而目前 機組只運行了 5 年左右，不具備開缸檢修條件。機組停 機且盤車停運時用塞尺測量軸封間隙，發(fā)現(xiàn) 3# 機組高 壓缸前后軸封左右間隙偏差較大，但總間隙在標準范 圍內(nèi)，說明是轉(zhuǎn)子與缸體因運行膨脹等原因發(fā)生了偏 移，造成軸封某個方向間隙大，可以通過碰缸調(diào)整的方 式來解決。 4# 機超高壓缸前軸封上下、左右間隙均較大，說明 軸封整體被磨損，已無法通過碰缸的方式進行修正，需 考慮其他方法解決。
3.2 軸端漏汽擋汽裝置設(shè)計
為了解決 4# 機超高壓缸前軸封磨損漏汽大的問 題，可以在軸封外側(cè)再設(shè)計一道密封，把漏出蒸汽引 出，防止水汽通過軸承室進入油系統(tǒng)，造成頂軸油系 統(tǒng)異常。 擋汽環(huán)材料設(shè)計為 12Cr1MoV 鋼，可以耐受外缸 高溫（圖 5）。利用現(xiàn)有端面上的運輸環(huán)螺栓孔進行安 裝固定，在保證機組安全運行的前提下安裝一個具有 阻汽功能的擋板對端部汽封漏汽進行阻擋，同時在擋 汽環(huán)上部開漏汽孔，將軸封漏汽回收至軸加。 擋汽裝置采用兩半的形式，在現(xiàn)場進行拼裝。為防止擋汽裝置與軸頸發(fā)生碰磨，設(shè)計和安裝時應(yīng)充分考 慮擋汽環(huán)的徑向定位。擋汽齒必須光滑，防止汽輪機運 行時轉(zhuǎn)子與擋汽齒碰磨，以保證任何工況下?lián)跗h(huán)連 接管道的膨脹、收縮不影響擋汽環(huán)與軸頸的徑向間隙， 造成軸頸損壞。 擋汽環(huán)設(shè)計充分考慮軸向上與軸承座、油封環(huán)、汽 缸、轉(zhuǎn)子等部件之間的空間限制和間隙要求，保證機組 安全穩(wěn)定運行要求。應(yīng)依據(jù)可能出現(xiàn)的最高工作溫度 和壓力，并能在此溫度、壓力下長期正常工作。
擋汽環(huán)包含與擋汽環(huán)配套的 8 套柔性管接、2 套 壓力表、2 套鋼管及相關(guān)管件、2 套閥門、2 套緊固件、2 套擋汽環(huán)外表面保溫噴涂材料、2 套密封材料等配套 輔材以及現(xiàn)場安裝所需的消耗性材料等。
4 綜合整治
4.1 完善頂軸油設(shè)備的預(yù)防性檢修計劃
4.1.1 研究頂軸油模塊原理和檢修工藝 由于頂軸油模塊為進口設(shè)備，檢修需要交給專業(yè) 的外委廠家處理，一般外委工期需要 10 d 左右。因盤 車冷卻需要投運頂軸油，每次頂軸油設(shè)備外委檢修往 往在機組檢修開工 20 d 以后才能回廠。而上汽二次再 熱機組汽輪機軸瓦檢修需投運頂軸油，受工期限制，頂 軸油系統(tǒng)液壓設(shè)備無法送出檢修。依靠外委廠家檢修 的方式無法滿足設(shè)備維護的需要，因此研究在現(xiàn)場檢 修頂軸模塊的方法非常必要。 在沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖的情況下，為了弄清頂軸 油泵出口模塊原理，對換下的舊模塊進行拆卸研究，畫 出內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖。對電磁閥進行解體，做好每個拆解 步驟的詳細記錄，并拍照留存。設(shè)計試驗裝置，包括壓 力氣瓶、試驗底座、測量儀表等部件，可以對模塊進行 相關(guān)性能試驗，驗證檢修質(zhì)量，確保設(shè)備能夠正常使 用。通過不斷的試驗與改進，電廠設(shè)備管理人員最終成 功地研究出頂軸油系統(tǒng)模塊檢修技術(shù)，并制成檢修文 件包，方便后續(xù)的日常檢修。
4.1.2 修改檢修規(guī)程 2022 年 1 月，該電廠對頂軸油系統(tǒng)檢修規(guī)程進行 了修訂，將頂軸油系統(tǒng)檢修周期由 3 年 1 次檢修改為 每年 1 次本廠自修，3 年 1 次外委檢修。自修主要以清 理、檢查記錄為主，外委檢修主要是以修復(fù)試驗為主， 保證了頂軸油系統(tǒng)的檢修質(zhì)量。
4.2 頂軸油泵出口模塊改造
頂軸油模塊只有 4 個油口，與電磁閥的 5 個油口 不匹配（圖 6）。雖然在功能上滿足使用要求，但是在該 電廠油系統(tǒng)環(huán)境中，會導致該電磁閥回油口對應(yīng)的閥 芯容易生銹、聚集雜質(zhì)，造成電磁閥卡澀或開不到位， 引起頂軸油系統(tǒng)異常。 為了解決該問題，對模塊進行改進，直接把 2 個回 油孔打通。另外在模塊前新設(shè)置 1 個前置濾網(wǎng)，對油顆 粒進行過濾。
4.3 解決軸封漏汽量大問題
4.3.1 軸端漏汽擋汽裝置
為解決軸封漏汽問 題，電廠專門設(shè)計了一個 軸端漏汽擋汽裝置。該裝 置為左、右兩半結(jié)構(gòu)，包括 管路、儀表、閥門等輔件， 裝置鑲有密封齒，與軸的 單邊間隙為 0.6 mm，裝 置底部設(shè)計有排汽管路， 與軸加入口相連接。其原理是通過軸加風機抽氣作用， 使裝置腔室保持負壓，軸封泄漏的蒸汽進入到擋汽裝 置內(nèi)腔室，通過裝置排汽管路引至軸加，有效避免軸封 漏出的蒸汽漏出并進入軸承箱。
4.3.2 汽輪機碰缸調(diào)整軸封間隙
為解決 3# 機高壓缸軸封漏汽問題，考慮到軸封總 間隙在合格范圍內(nèi)，可用碰缸的工藝使軸封上下間隙 和左右間隙在合格范圍內(nèi)，從而解決軸封漏汽問題。用 千分表測量軸與缸體的相對位置，拆卸缸體立銷、貓抓 滑板，通過千斤頂、頂起螺栓對缸體進行整體移動，得 到偏差值，再通過調(diào)整立銷和滑板厚度來調(diào)整缸體與 轉(zhuǎn)子的相對位置。
4.4 在線濾油機流量不足
為了解決在線濾油機修理不足的問題，該電廠專 門采購了 1 臺 PALL 公司生產(chǎn)的 HVP200 型濾油機， 其處理流量為 12 000 L/h。大流量濾油機采用真空脫 水，相比較原在線濾油機的聚結(jié)濾芯脫水方式，脫水效 率更高、維護成本更低。
4.5 更改軸承頂軸油軟管接頭連接形式
由于頂軸油管與軸瓦進油口接頭的云頭脹接在短管上，在高壓使用環(huán)境下很容易脫落。為解決這個問 題，電廠去掉了中間短管和中間云頭，直接用兩端的螺 母接頭相連（圖 7）。
5 效果檢查
（1）修改頂軸油系統(tǒng)設(shè) 備檢修計劃和規(guī)程后，根據(jù) 設(shè)備的實際情況開展檢修， 合理安排檢修計劃。經(jīng)過本 次活動，檢修人員成功掌握 了進口液壓設(shè)備的檢修技 術(shù)和技能，能夠更加方便靈 活地開展檢修，使設(shè)備和系統(tǒng)保持在健康的工作狀態(tài)。
（2）頂軸油模塊改造后，經(jīng)過 1 年運行后對其解體 檢查，結(jié)果表明電磁閥閥芯，特別是原悶死的單側(cè)回油 口處，無任何雜質(zhì)聚集。經(jīng)過本次改造優(yōu)化，有效避免 了雜質(zhì)卡住電磁閥和模塊安裝部件，改造效果顯著。
（3）汽輪機軸封漏汽處安裝擋汽裝置以及碰缸調(diào) 整后，在不同負荷工況下多次檢查汽缸外部，確認無任 何漏汽，潤滑油微水值在濾油機不投運的情況下依然 能在較長時間保持合格，說明本次優(yōu)化成功解決了軸 封漏汽對頂軸油系統(tǒng)的影響。
（4）增加大流量濾油機后，整個油系統(tǒng)處理能力大 大增強，而且能和原有的在線濾油機共同使用，總處理 流量能達到 18 000 L/h。在某次機組開機過程中，對濾 油機性能進行試驗，油顆粒度由 12 級過濾至 6 級只需 8 h，微水由 532 mg/L 過濾至 50 mg/L 以內(nèi)只需 5 h， 較整治前的過濾效率提高了 4~5 倍。濾油機的處理能 力增強后，在面對未來油系統(tǒng)不可預(yù)知的油質(zhì)變差情 況能夠很快地對其處理，系統(tǒng)抗異常能力大大增強。
（5）頂軸油管接頭優(yōu)化后，經(jīng)過 1 年的觀察，3# 、4# 機 組未再發(fā)生頂軸油管脫落故障。在 2023 年 4# 機 C 修期 間，對各軸瓦接頭檢修檢查，每個接頭都非常牢固可靠， 無任何泄漏，證明接頭優(yōu)化取得了非常好的預(yù)后效果。 頂軸油系統(tǒng)故障率高問題的綜合整治工作在 2022 年 3 月全部完成，對 2022 年 4 月—2023 年 6 月 期間的設(shè)備運行情況進行統(tǒng)計和檢查。在 1 年多時間 的運行中，頂軸油系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)為 0 次，相較整 治前故障頻發(fā)的情況，整治工作效果明顯，達到了預(yù)期 效果，為汽輪機安全運行提供了可靠保障（圖 8）。
6 結(jié)論
（1）頂軸油系統(tǒng)主要作用是為汽輪機轉(zhuǎn)子提供正 常、穩(wěn)定的頂起油壓，其故障形式主要為油壓異常，而 頂軸油系統(tǒng)異常往往是由油質(zhì)異常引起的。
（2）為提高頂軸油系統(tǒng)的運行可靠性，除了要考慮 維持油質(zhì)合格外，還應(yīng)考慮在油質(zhì)異常等特殊工況下， 頂軸系統(tǒng)是否能夠適應(yīng)和滿足穩(wěn)定運行要求。如果不 能滿足，則應(yīng)該分析、研究改善的方法，通過技術(shù)改造 等方式提高頂軸油系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
（3）對于進口設(shè)備的維護，不應(yīng)過度依賴外委檢 修，要敢于擔當，大膽嘗試，吃透設(shè)備的工作原理和工 藝流程，把設(shè)備維護的主動權(quán)掌握在自己手中。
（4）在設(shè)備管理和維修工作中，通過對某一問題 的系統(tǒng)分析和研究，可以解決許多相互關(guān)聯(lián)潛在隱 患。例如本文為解決頂軸油系統(tǒng)頻繁故障的問題， 系統(tǒng)地摸排、尋找末端因素，同時解決了潤滑油系統(tǒng) 油質(zhì)差，汽輪機軸封漏汽等關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中存在的隱患 與問題，最終成功改善了機組設(shè)備的整體健康運行 狀況。
（5）頂軸油系統(tǒng)運行狀況對汽輪機健康運轉(zhuǎn)的影 響極大，作為設(shè)備管理者要引起高度重視，認真分析故 障原因，及時消除故障隱患。
