高速離心泵軸瓦磨損失效分析及處理

時(shí)丕斌，康秀閣，宋 健

（中國(guó)石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022）

高速離心泵軸瓦磨損失效分析及處理

時(shí)丕斌，康秀閣，宋 健

（中國(guó)石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022）

柴油加氫裝置臥式高速離心泵在使用過(guò)程中，頻繁發(fā)生軸瓦磨損失效問(wèn)題，經(jīng)檢查分析認(rèn)為，磨損是軸頭泵花鍵聯(lián)軸器傳動(dòng)失效、潤(rùn)滑支路流量不均等原因所致。維修過(guò)程中，對(duì)軸頭泵聯(lián)軸器改型升級(jí)，并對(duì)潤(rùn)滑油支路吹掃清洗，效果良好。

高速離心泵；滑動(dòng)軸承；聯(lián)軸器

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.34

0 前言

高壓注水泵是加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)注入沖洗水的流體升壓設(shè)備，因生產(chǎn)工藝要求，其注水通常具有流量小、壓力高的特點(diǎn)。因此，高揚(yáng)程小流量多級(jí)離心泵及柱塞泵得以廣泛應(yīng)用，但由于多級(jí)離心泵及柱塞泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難、易損件多等原因，又逐漸被用于輸送小流量高揚(yáng)程的超低比轉(zhuǎn)數(shù)高速離心泵取代。高速離心泵具有優(yōu)異的小流量工作穩(wěn)定性及抗汽蝕性能，且具有可靠性高、適用范圍廣、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。某柴油加氫改質(zhì)裝置高壓注水泵選用一級(jí)增速臥式高速離心泵，使用過(guò)程中頻繁發(fā)生油壓偏低、軸瓦磨損現(xiàn)象，軸承平均使用壽命不足6個(gè)月，嚴(yán)重威脅裝置長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 高速離心泵結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑

柴油加氫改質(zhì)裝置高壓注水泵為單吸、懸臂、臥置、一級(jí)齒輪增速單級(jí)離心泵，主要由泵頭、增速箱、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電機(jī)、底座及其附件組成。

齒輪箱為一對(duì)齒輪嚙合的增速箱，由箱體、箱蓋、高、低速齒輪軸組件、軸承及殼體組件組成。齒輪副為高精度的硬齒面斜齒輪。其中，大齒輪軸組件由2個(gè)單列向心球軸承支承在齒輪箱內(nèi)，小齒輪軸組件由2個(gè)徑向滑動(dòng)軸承支承在齒輪箱體內(nèi)，并使用推力軸承承受殘余軸向力。為保證潤(rùn)滑油在無(wú)渦流和泡沫狀態(tài)下的連續(xù)供給，該增速箱設(shè)置高位油箱，機(jī)泵運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油在主油箱建立正常油位，并將多余的潤(rùn)滑油送至高位油箱，形成平衡的工作狀態(tài)，如圖1所示。

由于機(jī)泵轉(zhuǎn)速較高，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)熱量大，因此機(jī)泵采用強(qiáng)制潤(rùn)滑方案。潤(rùn)滑油系統(tǒng)由增速箱油池、主油泵、輔助油泵、油過(guò)濾器、油冷卻器、監(jiān)控儀表及內(nèi)外管路所組成，如圖2所示。其中，軸頭泵安裝于增速箱內(nèi)部，由低速軸通過(guò)花鍵聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)。輔助油泵外置于底座上，使用獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

高速離心泵額定揚(yáng)程1430 m，額定流量為15 m3/h，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為2976 r/min，經(jīng)增速箱增速后機(jī)泵轉(zhuǎn)速高達(dá)16 581 r/min。

2 運(yùn)轉(zhuǎn)情況

為防止因油壓不足、潤(rùn)滑不良而導(dǎo)致機(jī)泵損壞，機(jī)泵潤(rùn)滑油系統(tǒng)設(shè)置低油壓聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。潤(rùn)滑油系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，軸頭泵出口油壓0.3～0.8 MPa，進(jìn)軸承前油壓0.08～0.35 MPa。當(dāng)軸頭泵運(yùn)行異常，泵出口油壓＜0.2 MPa時(shí)，輔助油泵聯(lián)鎖啟動(dòng)，保證油泵出口油壓；當(dāng)油壓持續(xù)降低，進(jìn)軸承前油壓＜0.07 MPa時(shí)，高速離心泵主電機(jī)聯(lián)鎖停運(yùn)，以防潤(rùn)滑不足損壞設(shè)備。

圖1 高速離心泵增速箱結(jié)構(gòu)

圖2 高速離心泵潤(rùn)滑示意

機(jī)泵運(yùn)行初期，軸頭泵出口油壓約0.5 MPa，進(jìn)軸承前油壓約0.25 MPa，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，軸頭泵出口壓力及進(jìn)軸承前油壓均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。運(yùn)行約60 d后，軸頭泵出口油壓降至0.2 MPa，輔助油泵聯(lián)鎖啟動(dòng)。此時(shí)，軸頭泵及輔助油泵同時(shí)運(yùn)行，可以保證軸頭泵出口油壓達(dá)到0.4 MPa，但進(jìn)軸承前油壓僅0.09 MPa，雖然輔助油泵啟動(dòng)運(yùn)行，仍無(wú)法提升進(jìn)軸承前油壓。

鑒于以上情況，為防止設(shè)備損壞，決定停運(yùn)并拆除檢修該設(shè)備。設(shè)備拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)泵低速軸滾動(dòng)軸承完好，未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，泵體內(nèi)潤(rùn)滑油管路連接可靠，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)或斷開現(xiàn)象，如圖3所示。拆檢高速軸發(fā)現(xiàn)高速軸葉輪側(cè)滑動(dòng)軸承磨損嚴(yán)重，軸瓦合金嚴(yán)重脫落，軸瓦間隙明顯增加，其中軸瓦底部合金脫落最為嚴(yán)重，并有局部過(guò)熱跡象，如圖4所示。遠(yuǎn)離葉輪側(cè)滑動(dòng)軸承未見(jiàn)磨損跡象，軸瓦間隙為0.09 mm，滿足裝配要求。為進(jìn)一步排查軸頭泵輸出油壓偏低原因，對(duì)軸頭泵進(jìn)行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)齒輪磨損、間隙增大等異常現(xiàn)象。根據(jù)近3次損壞檢修情況，更換磨損軸承及軸頭泵后，潤(rùn)滑油壓力恢復(fù)正常，故障消除，但運(yùn)行周期僅60 d。

3 原因分析

3.1 軸頭泵傳動(dòng)分析

軸頭泵使用花鍵聯(lián)軸器與增速箱低速軸端部直接相連，檢查聯(lián)軸器發(fā)現(xiàn)花鍵磨損較嚴(yán)重，低速軸與軸頭泵驅(qū)動(dòng)軸偶有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象?；ㄦI聯(lián)軸器具有對(duì)軸削弱程度小、定心和導(dǎo)向性能好等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)對(duì)中不良時(shí)，即便是微小的不對(duì)中，也容易導(dǎo)致花鍵端部磨損失效。

高速離心泵軸頭泵傳動(dòng)軸直徑10 mm，由于直徑小，無(wú)法加工矩形或漸開線形齒而使用三角形傳動(dòng)齒，且齒高僅1 mm。三角形花鍵承載能力較弱，當(dāng)轉(zhuǎn)子對(duì)中不良或振動(dòng)沖擊時(shí)，容易因鍵齒強(qiáng)度不足而屈服變形，失去傳動(dòng)作用。機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鍵齒一旦損壞，軸頭泵與低速軸將發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，軸頭泵轉(zhuǎn)速下降，而致使軸頭泵輸出油壓不足、潤(rùn)滑油流量下降。

3.2 高速軸力學(xué)模型分析

高速離心泵增速箱屬于斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中，低速齒輪為主動(dòng)齒輪，旋向?yàn)橛倚?，高速齒輪為從動(dòng)齒輪，旋向?yàn)樽笮Ｈ鐖D5所示，低速齒輪旋轉(zhuǎn)中心為O1，高速齒輪旋轉(zhuǎn)中心為O2，以高速齒輪為研究對(duì)象，則其圓周力Ft與旋轉(zhuǎn)方向相同，徑向力Fr則指向軸心，圓周力Ft與徑向力Fr的合力F則指向下方區(qū)域，即高速軸承底部為重載區(qū)。因此，當(dāng)軸承潤(rùn)滑不良時(shí)，軸瓦底部承載區(qū)合金將發(fā)生嚴(yán)重摩擦損傷，這與拆檢實(shí)際情況相一致。

圖3 泵體潤(rùn)滑管路連接可靠

圖4 軸瓦合金磨損脫落

圖5 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)作用力示意

3.3 潤(rùn)滑管路布置分析

為保證設(shè)備緊湊，降低占地空間，該高速離心泵潤(rùn)滑油管路除輔助油泵、潤(rùn)滑油冷卻器、潤(rùn)滑油過(guò)濾器等部分布置在機(jī)泵底座外，其余供油管路全部集成布置在增速箱中。設(shè)備內(nèi)部潤(rùn)滑油管路采用內(nèi)徑2.5 mm的銅管，見(jiàn)圖3。

增速箱內(nèi)部供油點(diǎn)包括高速軸、低速軸徑向軸承及推力軸承、齒輪嚙合部位等6處。由于各注油點(diǎn)流動(dòng)阻力不同，當(dāng)潤(rùn)滑油量不足時(shí)，各點(diǎn)注油流量極易發(fā)生偏流現(xiàn)象，流動(dòng)阻力較小、沿程損失較低的注油點(diǎn)油量較大，而流動(dòng)阻力較大、沿程損失較高的注油點(diǎn)油量則偏小，甚至潤(rùn)滑不足而損壞軸承。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，葉輪側(cè)徑向滑動(dòng)軸承注油點(diǎn)遠(yuǎn)離供油總管，且使用較長(zhǎng)的細(xì)銅管接引，處于潤(rùn)滑油路的末端。因此，當(dāng)潤(rùn)滑油量不足時(shí)，該軸承將率先發(fā)生磨損失效。

綜上分析研究認(rèn)為，由于軸頭泵三角形花鍵聯(lián)軸器強(qiáng)度不足，導(dǎo)致鍵齒變形而失去可靠的傳動(dòng)作用，并引起軸頭泵轉(zhuǎn)速下降或不穩(wěn)定。在此過(guò)程中，軸頭泵輸出油壓及潤(rùn)滑油流量將下降，經(jīng)阻力不均的多條潤(rùn)滑支管路后，將導(dǎo)致流動(dòng)阻力最大、處于潤(rùn)滑末端的葉輪側(cè)徑向軸承率先出現(xiàn)磨損，而且磨損部位出現(xiàn)在潤(rùn)滑不良的承載區(qū)域內(nèi)。

4 解決辦法

4.1 軸頭泵聯(lián)軸器改型

將花鍵聯(lián)軸器改為一字插銷式聯(lián)軸器，即在低速軸端部加工一字形凹槽，在軸頭泵驅(qū)動(dòng)軸上鉆孔并安裝圓柱銷，如圖6所示。該機(jī)構(gòu)雖不能傳遞較大扭矩，但允許兩軸輕微不對(duì)中，可應(yīng)用于低負(fù)荷的軸頭泵傳動(dòng)。

圖6 聯(lián)軸器改型后軸頭泵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

4.2 潤(rùn)滑油管路沖洗及吹掃

設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)使用，通徑較小的末端油管路內(nèi)部附著污物，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加，潤(rùn)滑油流動(dòng)不暢等現(xiàn)象。為解決上述問(wèn)題，在機(jī)泵檢修的過(guò)程中，使用汽油對(duì)各潤(rùn)滑支路沖洗貫通，并使用壓縮風(fēng)逐根吹掃，保證潤(rùn)滑油路暢通，降低流動(dòng)阻力。

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〔編輯 李 波〕