蒸汽透平軸承座漏油及油溫過高的分析和處理

(中海石油化學股份有限公司，海南 東方 572600)

1 蒸汽透平簡介

中海石油化學股份有限公司600 kt甲醇裝置鍋爐給水泵蒸汽透平PT01501由美國Coppus公司制造，型號為RLHA28。該蒸汽透平為背壓式汽輪機，結構簡單緊湊(見圖1)，葉輪為單級雙列沖動式，徑向軸承為薄壁瓦型，止推軸承為雙列球軸承，油封為整體迷宮式密封環(huán)，潤滑方式為強制潤滑；透平動力源為系統(tǒng)的中壓蒸汽。該透平采用“一拖二”的設計，同時驅動2臺多級泵，一側驅動高壓鍋爐給水泵，另一側驅動中壓鍋爐給水泵，屬于節(jié)能降耗型設備。其主要參數(shù)如下：

功率 1 659 kW

額定轉速 5 116 r/min

跳閘轉速 5 935 r/min

第一臨介轉速 7 061 r/min

蒸汽進口溫度 400 ℃

蒸汽出口溫度 215 ℃

潤滑油進口壓力 1 atm

潤滑油出口壓力 0.27 MPa

潤滑油進口溫度 54～60 ℃

潤滑油出口溫度 80 ℃

圖1 蒸汽透平結構簡圖

2 設備故障現(xiàn)象

裝置開車后發(fā)現(xiàn)，蒸汽透平PT01501潤滑油溫度偏高，出口溫度達77 ℃。由于設備其他運行參數(shù)都符合技術要求，而且出口油溫沒有超過最高設計值80 ℃，因此繼續(xù)運行。但繼續(xù)運行一段時間后，軸承座上蓋及周圍管道等表面都有油跡，尤其是其1 m范圍內(nèi)的物體上更加明顯，軸承座上蓋甚至有薄薄的潤滑油層，兩端軸承座的透平側有明顯發(fā)黑的物質(zhì)，基座下方也有油層，而軸承座下方有黑色堆積物。這些異?，F(xiàn)象給設備的運行帶來安全隱患，影響裝置的正常運行。

3 軸承座漏油的原因分析

結合蒸汽透平PT01501結構分析(軸承座結構及漏點示意見圖2)，潤滑油泄漏有以下可能：① 油氣排放不良；② 供油過量或排放不暢；③ 密封環(huán)損壞或老化；④ 油密封間隙過大。

圖2 軸承座結構及漏點示意圖

結合設備運行狀況分析：每個軸承座上有2個油煙氣排放煙囪，經(jīng)檢查是暢通的，不存在油煙氣排放不良狀況；油泵強制供油潤滑和冷卻，軸承座內(nèi)設有最高油位回流管，多余的油從回流管流回油箱；密封環(huán)為圓環(huán)整體型迷宮密封，材質(zhì)為不銹鋼，密封環(huán)中沒有O形圈及橡膠制品，不存在老化問題，損壞及變形的可能性較小。如果密封損壞，運行過程中應該會出現(xiàn)異常響聲或潤滑油明顯泄漏。密封環(huán)為整體圓環(huán)形，是套裝在軸上的，配件上的密封環(huán)在徑向有二顆沉頭內(nèi)六角螺釘防松，為間隙配合，則密封環(huán)間隙過大引起漏油的可能性很大。透平的軸承潤滑為強制潤滑，壓力潤滑油通過油路通道流入薄壁瓦軸承與軸的間隙內(nèi)，從軸瓦間隙噴出打在兩端的迷宮式密封環(huán)上，潤滑油沿著軸和迷宮密封環(huán)的間隙或軸承座和迷宮密封環(huán)的間隙竄出來；特別是當油溫過高時，會造成潤滑油的粘度降低，潤滑油更易從間隙處竄出，竄出的油部分被高速旋轉的軸或密封環(huán)甩至溫度很高的透平殼體上，造成透平外緣出現(xiàn)較多黑色粘附物。

軸承座周圍的物體為什么也會有油漬粘附呢？我們認為應是油煙氣造成的，原因如下。

(1)潤滑油泵將55 ℃的潤滑油泵入軸承座后，由于軸承座溫度過高，潤滑油被加熱至77 ℃，產(chǎn)生的油氣從排氣煙囪飄到大氣中，與其他物體接觸即粘附在上面。

(2)迷宮密封環(huán)間隙處滲漏的油，受到轉子的旋轉離心力作用，飛濺到其他物體上，一部分油被加熱產(chǎn)生油氣蒸發(fā)掉；一部分油飛濺到軸承座下方，被透平殼體的高溫燒黑，產(chǎn)生黑色物質(zhì)。這就同廚房里抽油煙機和墻壁的表面等處經(jīng)常有油污一樣。

4 油溫過高的原因分析

設備運行時，對潤滑油溫度是有要求的，進口油溫控制在54～60 ℃為宜。油溫過高會加劇油的氧化，甚至碳化；還會降低油的粘度，使油膜厚度減小，甚至使油膜破壞。油溫過低，油的粘度過大，造成油膜不穩(wěn)定，引起振動；而粘度過大使油流動性變差，不能及時帶走磨擦熱。另外，進油與出油的溫差不能過大，如果進油與軸承座腔內(nèi)油的溫差過大，那么溫度較低的進油與軸承腔內(nèi)的高溫氣發(fā)生冷熱作用產(chǎn)生水汽，使?jié)櫥腿榛?/p>

蒸汽透平PT01501潤滑油溫度過高可能的原因：① 供油溫度過高；② 潤滑油不潔凈或變質(zhì)；③ 油量不足或過多；④ 設備超負荷運行，轉速或振動過高；⑤ 蒸汽透平的高溫缸體對軸承座的熱傳遞。結合設備運行狀況進行分析：軸承在工作時高速旋轉會產(chǎn)生磨擦，把潤滑油加熱，潤滑油的供油溫度過高，出口油溫相應提高——根據(jù)現(xiàn)場油溫計顯示，進口溫度只有54 ℃，符合設計要求；潤滑油的質(zhì)量差或乳化，都會使?jié)櫥Ч儾疃斐奢S承損壞——現(xiàn)場油池的油經(jīng)分析化驗，油質(zhì)符合要求；軸承座設有潤滑油回流管，回流管就是軸承座潤滑油出口，潤滑油回流管高度就是潤滑油的液位，設計潤滑油位為軸承座水平中分面以下76 mm——這有待解體測量是否符合設計要求；油量過多造成軸承溫度高，通常指的是潤滑脂過多，造成腔體內(nèi)空氣不流通阻礙散熱，油脂是熱的不良導體，流動的油則能帶走熱量，若流動性特差的油脂太多，就象給軸承穿了件棉衣，造成軸承散熱不良而過熱——從中央控制室調(diào)出相關參數(shù)，都在設計范圍內(nèi)，而且是自動控制，超過設計值蒸汽透平就會自動跳車。因此，基本上可以確定是蒸汽透平的高溫缸體對軸承座的熱傳遞而造成油溫過高。

蒸汽透平的高溫缸體將軸承座加熱，軸承座再將潤滑油加熱。熱傳遞有三種形式，對流、輻射、傳導。對流是指液體或氣體將熱量以對流的形式從低處帶向高處；熱輻射則不需要任何媒介，高溫物體的熱量依靠紅外線向低溫物體傳遞；熱傳導是熱量從物體的高溫部分沿著物體傳到低溫部分。據(jù)蒸汽透平的結構分析，第一，軸承座與透平本體處于同一水平位置，沒有高度差，兩者之間溫差不會以對流的形式進行能量傳遞；第二，軸承座與透平距離16 mm，但透平用保溫棉隔熱，有效防止透平以熱輻射的形式將熱量傳遞給軸承座；第三，軸承下座與透平本體用厚度達25 mm鑄鋼連接，溫度高達220 ℃的透平殼體勢必會將熱量沿著鑄鋼連接體傳遞到軸承座，出現(xiàn)下半軸承座溫度最高達145 ℃、上半軸承座溫度最高達101 ℃；第四，透平還會通過軸將熱量傳遞給潤滑油。

5 漏油及油溫過高的解決方案

5.1 漏油的處理

(1)更換新密封環(huán)，由供貨商提供密封環(huán)內(nèi)徑比軸徑小的配件，據(jù)基軸重新加工修配，使密封環(huán)與軸的間隙保證在0.04～0.06 mm之間。

(2)在軸承座蓋的迷宮密封槽處增設密封冷卻氣管線(見圖3)。其目的是，通過輸送一定壓力的氣體在迷宮密封槽內(nèi)，在高速旋轉的密封環(huán)帶動下，形成一道密封氣將大氣和軸承腔隔離，阻止?jié)櫥秃陀蜌鈴拿詫m密封處泄漏，同時冷卻軸承座內(nèi)的潤滑油及油氣。氣體從軸承座密封槽進入，將軸承腔內(nèi)熱量從煙囪帶出，從而降低潤滑油溫度。并在進口增設閥門調(diào)節(jié)進氣量。

在兩側軸承底座迷宮密封槽處加鉆2個φ5 mm回油孔，使回油孔增至3個(見圖4)，讓少量濺到迷宮密封槽內(nèi)的潤滑油，及時地暢通地回流到軸承座內(nèi)，避免油在密封槽內(nèi)積累起來，一級一級漫過密封槽而滲漏至軸承座外面。

5.2 油溫過高的處理

(1)配循環(huán)冷卻水管(見圖5)。按透平廠家設計，軸承座下半座是有水夾套的，但此型號設備潤滑方式為強制潤滑，是不需要冷卻水冷卻的；但如果潤滑方式采用甩油環(huán)、油霧潤滑，就要使用冷卻水強制冷卻，保持油溫在合理范圍?，F(xiàn)在潤滑油溫度接近設計最高值，給軸承座水夾套配冷卻水管強制冷卻就很有必要，并用閥門調(diào)節(jié)冷卻水流量，將潤滑油溫度控制在合理范圍內(nèi)。

圖3 軸承座密封氣管配置簡圖

圖4 軸承底座增加回油孔示意圖

圖5 軸承座配置冷卻水管示意圖

(2)在軸承座與透平之間裝隔熱板。很多較大的蒸汽透平都安裝了隔熱板，原理是在高溫物體(透平缸體)與低溫物體(軸承座)之間安裝薄鋼板，可阻止透平缸體的熱量直接輻射給軸承座。由于透平已經(jīng)用保溫棉進行隔熱，而透平與軸承座間距太小(只有16 mm)，不利于安裝隔熱板，且軸承座高溫主要源于熱傳導，安裝隔熱板就沒有必要了。

6 檢修方案實施情況

按檢修方案對透平進行解體檢修，在對迷宮密封環(huán)檢查測量時發(fā)現(xiàn)，密封環(huán)與軸配合的間隙為0.36 mm，當密封環(huán)上的二顆內(nèi)六角頂絲頂緊，密封環(huán)與軸的一側貼住，另一側間隙就達到0.36 mm，由此形成漏點(見圖6)；潤滑油的回油孔與軸承座水平中分面距離為76 mm，符合設計值，潤滑油不會高過軸承座下座的迷宮密封槽而滲出。實際檢修情況如下。

圖6 密封環(huán)與軸的配合間隙示意圖

(1)將密封環(huán)與軸的配合間隙由0.36 mm調(diào)整為0.04 mm，保留適當間隙便于檢修拆裝；潤滑油在0.04 mm間隙內(nèi)形成油膜產(chǎn)生的張力起密封作用，阻止油泄漏。

(2)軸承座上座迷宮密封槽配置密封氣管。

(3)軸承座下座迷宮密封槽加鉆2個φ5 mm的回油孔。

(4)軸承座下座水夾套配置冷卻水管。

檢修前，止推側軸承座出口油溫77 ℃、非止推側軸承座出口油溫67 ℃；檢修后，兩者分別為70 ℃、61 ℃。

7 結 語

鍋爐給水泵蒸汽透平進行上述四項技術改造后，運行狀況良好，沒有出現(xiàn)漏油及油溫過高的現(xiàn)象。表明檢修前對設備故障原因的分析是正確的，采取的技術改造方案是合理的。本次改造成本低，并結合設備自身的結構特點，解決了設備運行1 a多的漏油及油溫過高的異?，F(xiàn)象，確保了蒸汽透平的安全穩(wěn)定運行，從而保障了裝置的長周期運行。

參考文獻：

[1]任曉善主編.化工機械維修手冊(中卷)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[2]錢青松編著.設備潤滑油技術問答[M].北京：中國石化出版社，2005.