——以西门子SST-600EP汽轮机组碳钢润滑油管道为例
中国核工业第二二建设有限公司 湖北 宜昌 443100
摘要：汽轮机润滑油主要作用为，当汽轮机组正常工作时汽轮机和发电机轴瓦的润滑和冷却。其品质的好坏直接影响到汽轮机组轴瓦的使用状况，如果有颗粒存在于润滑油中，由于汽轮机轴以3000转每分钟的转速运行，杂质的存在将对汽轮机轴产生严重的影响，更严重的甚至会将轴瓦拉和轴磨损严重，影响轴瓦的使用寿命，影响汽轮机的整个使用寿命，所以，汽轮机的滤油工作尤为重要，滤油是在汽轮机安装结束以后，汽轮机冷态调试之前的关键步骤，而润滑油中主要的杂质除了来自管道中本身附着的杂质外，管道现场焊接部分焊渣的脱落也是影响汽轮机润滑油优质的主要因素之一，而运行过程中管道内壁焊缝处焊渣一旦脱落，也影响汽轮机油质。本文结合西门子SST-600EP机组碳钢滤油经验，结合焊渣脱落规律及原理，得到了一种在滤油过程中“变流速高温振打滤油法”的热态振打滤油法，有效的降低了由于焊渣脱落对产生的杂质对优质产生的影响，保证机组正常安全运行。
关键词：润滑油；焊渣；油质；滤油方法
1 前言
汽轮发电机主供油系统主要由汽轮机油和抗燃油两个系统组成，其中，汽轮机油包括汽轮发电机组的润滑油和顶轴油；抗燃油主要作用为调节和保安系统。机组在运行工况下，润滑油系统一般由独立的供油单元通过供油管道供给润滑油。润滑油的主要供油部位是汽轮发电机组主轴承、推力轴承、盘车装置及顶轴系统。在使用氢气密封系统的机组中，润滑油还承担着为其供油的作用，润滑油还要为超速脱口装置的操作供油。
对于汽轮发电机组来说，由于其转速高，转子总量较大，所以在正常运行时，汽轮机和发电机的转子需要大量的润滑油来冷却和润滑其支持轴承和推力轴承，且轴和轴承之间采用油膜润滑，所以，如果油中存在颗粒状杂质，将直接破坏轴和轴瓦间形成的油膜，造成润滑效果不好，油温持续升高，严重的还会造成轴和轴瓦的直接接触和磨损。因此，保证润滑油品质是机组安全运行的主要方面之一。
2 汽轮机滤油原理简介
汽轮机滤油工作是指当汽轮机安装工作结束后，调试工作开始之前，安装外部设备(滤油机)对汽轮机油进行过滤的过程。一般来说，滤油机根据其的工作原理不同，可分为板式滤油机和真空滤油机。
滤油机工作时，在其内部有一个带有双喷式喷嘴的转子，只需由机油所产生的压力来提供其驱动力。设备开启后，通过泵将油箱内机油送至转子内，待机油充满转子后就沿转盘下部喷油嘴喷出，既而产生驱动力使转子高速旋转。它的转速能达到4000-6000r.p.m以上，所产生的力量为重力的2000倍以上，以离心力的原理直接驱使杂质自机油中分离出来。
对于汽轮发电机组来说，整个滤油过程又可分为两个阶段，即润滑油管道冲洗滤油和轴承箱冲洗滤油。
汽轮机滤油的一般过程图1所示：
图1 汽轮发电机组滤油过程
3 常规滤油方法的一般步骤及注意事项
3.1 常规滤油法的一般步骤为：
图2 常规滤油法的一般步骤
3.2 常规滤油法需要改进的地方
而对于新建机组来说，由于部分润滑油管道采用现场焊接的安装方式，管道内壁焊缝无法清理，焊渣脱落风险较大，除了需要定期检查更换滤网以外，通过研究焊渣脱落规律，并结合西门子ST-600EP机组安装经验，笔者认为，降低焊渣脱落影响的最好方法就是在滤油过程中，转子静止时，尽可能多的清理产生的焊渣，以降低焊渣对油质的污染，保证机组安装运行。
4 变流速热态振打法
4.1变流速滤油法
4.1.1理论计算
根据流体力学相关计算原理，对滤油过程中管道内壁突起的焊渣和通过的润滑油为研究对象受力模型如图3所示，
图3 焊渣受力分析
假设润滑油密度为ρ，流速为v,焊渣在管道内的截面积为s,时间区间△t，则有，△t时间内冲到焊渣上的润滑油的体积为:△V=sv△t；这些润滑油的质量为:△m=ρsv△t；由动量定理可得：-F△t=△m（0-v），F=ρsv2。再由牛顿第三定律得，润滑油对焊渣的冲击力为F’=F=ρsv2,即可得出结论，焊渣所受的冲击力与流速的平方成正比。
根据金属及焊接填充物的疲劳极限规律可知，要使得焊渣尽快达到其疲劳极限，需改变其受力大小及方向，根据流体动量定理及上述结论可知，改变润滑油流速可以显著改变焊渣受力大小。
根据金属及焊接填充物的物理属性可知，根据冲量定理及上述计算结果可知，当流体流速增加时，其受冲击力也相应增大，所以，要尽可能保证滤油时润滑油流速以增加焊渣所受冲击力。
4.1.2 系统改造方法
要改变滤油系统中润滑油的流速，结合西门子SST-600EP机组碳钢滤油经验，设计如图4所示的滤油系统，即在滤油机出口处增加润滑油再循环管路和手动三通换向阀，每2小时切换一次，当润滑油流经润滑油系统主路时，管道内润滑油流速为v(滤油机能提供的最大流速)；润滑油切换至再循环管路时，主管道流速为0，采用这种操作即可实现润滑油流速从0到v的切换。
图4 润滑油管路改造图
4.2 投加热器
根据金属及其连接填充物的脱落规律可知，当金属温度升高时，金属原子的活性增加，动能增大。根据能量守恒定律可得，动能增加时原子间的势能减小，原子间相互吸引力减小，原子相互分离概率增加，更有利于金属连接填充物的脱落。
另一方面，金属本身具有受热膨胀特性，焊渣表面的氧化层膨胀差，延展性较弱，当金属本身受热膨胀、延展时，焊接材料表面的氧化层由于开裂，更容易与焊接材料脱落，所以，综合开来，滤油时升高油温，有利于焊缝表面的焊渣及表面氧化物的脱落，由于润滑油具有一定的闪点和燃点，润滑油的温度不应大于其所允许的最高温度。
现场操作方面，可以投入润滑油站的加热器以升高润滑油的温度，结合西门子SST-600EP机组碳钢滤油经验，油温设置不高于75℃。
4.3 人工振打焊缝
根据共振相关原理可知，当金属外界振动源与金属固有频率一致时，金属振幅为两振幅的叠加。振幅不同的材料当振动源存在时，产生共振的金属容易首先分离出来。所以，当滤油管道接收外界振动源干扰时，焊渣和氧化层由于和管道材质不同，当其产生共振时，更容易和管道脱离出来。
所以，实际操作中，要使用橡胶锤持续人工振打焊缝连接处，以加快焊渣和氧化层的脱离，缩短滤油周期。
4.4 采用变流速高温振打滤油法滤油的一般步骤为
综合上述相关原理及操作方法，结合相关安装经验，采用变流速高温振打法滤油的一般步骤为：
图5 变流速高温振打法滤油的一般步骤
5 案例分析
5.1 案例介绍
本文以两台机组的西门子SST-600EP汽轮机组碳钢润滑油管道为例，进行对比分析。其中1#机组采用常规滤油法，采用图2所示的滤油方法。2#机组采用变流速高温振打法，采用图5所示的滤油方法。
5.2 检查方法及合格标准
结合设备厂家对于滤油过程中油质的检查方法的建议，本案例油质以滤网中存在的粒径为0~3mm杂质数目N为考核指标，以各阶段滤油时间T为基准参数。
其中，杂质数目N的确定方法为：将油箱进行清理，在进瓦管路上加装锥形滤网，每24小时检查滤网一次。滤网检查方法为：将滤网拆下，用酒精从滤网外部浸泡，将滤网用力扣在干净的滤纸上，检查是否有颗粒物存在，并统计0~3mm杂质颗粒物的数目。其中，滤网合格标准为：连续两次拍滤网无颗粒物出现即为合格，T即为当滤网达到合格时所用的最终时间。
5.3 算例结果统计及分析
通过对1#、2#机组T/N两个参数的采集可得到如表1所示结果，其中T表示油质检查的时间，N1、N2为检测到颗粒物杂质的数目。
表1 1#、2#机组T/N数据采集表
我们将表1的数据在以T为横坐标，N为纵坐标的二维坐标系中，如图6所示。
图6 两台机组油质检查结果汇总
从上图中可以得出以下结论：
1 1#、2#机组油中杂质颗粒数量随着时间的增加逐渐增多，1#机组在10天时颗粒数达到最大的23个，2#机组在第12天时杂质颗粒数达到最大的56个；
2 1#机组颗粒数变化较为连续，2#机组分别在第2、5、10天时油中杂质颗粒数目突然增加，通过比对时间轴可以发现，第2、5、10天分别为流速变化操作、油温升高操作、振打操作投入时间。
3 由二维坐标图特性及积分相关原理可知，图形的面积即为油中杂质总颗粒数，通过比对不难发现，1#图形面积小于2#图形面积，即采用变流速高温振打法可以冲洗出更多的杂质颗粒。
4 总的滤油时间，1#机组滤油时间20天，2#机组滤油时间为14天，改进后的滤油方法可以节约30%的滤油时间。
论文作者:焦进垒,史洪龙,彭城
论文发表刊物:《防护工程》2017年第32期
论文发表时间:2018/3/21
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