淺談合成氣壓縮機(jī)推力軸承溫度高原因及改善對(duì)策

張博強(qiáng)，董元亮，趙曉陽(yáng)，孫德超，欒朔

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

1 案例故障情況介紹

某煤化工企業(yè)甲醇合成單元，合成氣壓縮機(jī)為垂直剖分機(jī)型2BCL456，由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作轉(zhuǎn)速為9700r/min。機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，推力軸承溫度達(dá)到110℃，短暫檢修期間將軸承區(qū)拆檢。發(fā)現(xiàn)推力軸承為金斯伯雷止推軸承，主推力6 塊瓦面均存在嚴(yán)重積碳現(xiàn)象。用1000#細(xì)砂紙打磨后，露出巴氏合金層，經(jīng)檢查無(wú)損傷痕跡。檢查瓦塊厚度，偏差在0.01mm 以內(nèi)。復(fù)測(cè)推力間隙0.28mm。

回裝軸承后，機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行，歷時(shí)3 個(gè)月，推力瓦溫從95℃上升至108℃。之后合成車(chē)間利用停產(chǎn)大修機(jī)會(huì)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全方位檢查。主推力軸承積碳嚴(yán)重，清理后發(fā)現(xiàn)巴氏合金面點(diǎn)蝕，巴氏合金邊緣有輕微脫胎現(xiàn)象。機(jī)組抽芯打開(kāi)隔板束后檢查了各個(gè)口圈密封、級(jí)間密封的間隙值以及平衡盤(pán)密封的間隙值。發(fā)現(xiàn)只有平衡盤(pán)密封間隙超差，比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的上限值大了0.15mm。

2 故障原因分析

2.1 推力間隙小

雖然推力間隙在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，但是靠近下限值，如果將推力間隙放大至上限值附近，對(duì)推力瓦溫的降低會(huì)有一定幫助。

2.2 潤(rùn)滑油接近變質(zhì)

隨著機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，潤(rùn)滑油的指標(biāo)需要每3 個(gè)月取樣分析檢驗(yàn)。如對(duì)比近兩次的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)黏度、水分等指標(biāo)略有變化，就需要警惕潤(rùn)滑油可能正在乳化變質(zhì)。在軸瓦間隙較大的地方，瓦溫上升并不明顯，但間隙較小的地方，瓦溫上升趨勢(shì)會(huì)比較明顯，因?yàn)楦〉拈g隙意味著更薄的油膜，也就意味著更多的摩擦產(chǎn)生的熱量無(wú)法被帶走，抗氧化性能變差的潤(rùn)滑油在高溫下容易析出一種類似于漆膜的膠著物質(zhì)附著在瓦面，長(zhǎng)此以往，會(huì)加劇軸承溫度的上升，瓦溫越是升高，瓦面的積碳現(xiàn)象也隨之加重，從而形成惡性循環(huán)。

2.3 推力盤(pán)的光潔度被破壞

隨著機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，已經(jīng)不再是設(shè)備剛出廠時(shí)的狀態(tài)了。經(jīng)歷了施工期間的油循環(huán)及多次拆檢回裝，難以保證沒(méi)有硬質(zhì)顆粒殘留。啟動(dòng)及停機(jī)過(guò)程中推力盤(pán)與瓦面之間的油膜剛性不強(qiáng)，推力盤(pán)很容易被刮傷，從而破壞表面的光潔度。瓦面與推力盤(pán)的接觸面積也是一個(gè)很重要的因素，使瓦面的接觸面積達(dá)到80%左右，會(huì)對(duì)軸承的運(yùn)行溫度起到很好的控制。

2.4 推力軸承的供油量不夠，回油不夠通暢

較小的供油量無(wú)法滿足軸承潤(rùn)滑要求，不通暢的回油無(wú)法良好地帶走軸承的熱量，這也會(huì)引起軸承溫度過(guò)高。例如甩油環(huán)的安裝方向如果錯(cuò)了，那么推力盤(pán)與推力軸瓦之間的潤(rùn)滑油就不會(huì)隨著推力盤(pán)的旋轉(zhuǎn)從甩油環(huán)的出油孔順利排出。這也是導(dǎo)致推力瓦溫度高的一個(gè)常見(jiàn)原因。

2.5 軸向力過(guò)大，導(dǎo)致主推瓦溫度高

這也是最重要的一個(gè)因素。影響機(jī)組軸向力的原因有以下幾方面。

（1）合成氣壓縮機(jī)的介質(zhì)組分比例不穩(wěn)定，或者合成催化劑失效。以上兩種原因都會(huì)使壓縮機(jī)的流量及排氣壓力產(chǎn)生變化，軸向力也會(huì)隨著工況的變化而變化。如果壓縮機(jī)流量經(jīng)常波動(dòng)，出口壓力過(guò)高，甚至多次發(fā)生喘振，瞬間的軸向力變化會(huì)影響瓦塊表面合金的強(qiáng)度。久而久之，瓦面合金層變薄，溫度升高，龜裂脫落，造成推力盤(pán)加工面損傷，形成燒瓦事故。

（2）口圈密封的間隙值過(guò)大。從葉輪甩出經(jīng)擴(kuò)壓器增壓后的氣體從口圈密封流回本級(jí)葉輪入口，輪蓋側(cè)受的壓力變小，導(dǎo)致軸向力變大。

（3）平衡盤(pán)密封間隙變大。被平衡盤(pán)及密封隔離開(kāi)的高低壓腔體壓差變小，平衡盤(pán)平衡軸向力的效果變差，此時(shí)主推力軸承就會(huì)承擔(dān)更多的軸向力，主推力瓦溫就會(huì)上升。

（4）平衡氣管過(guò)細(xì)或堵塞。通過(guò)平衡盤(pán)密封泄漏到低壓腔的高壓氣體無(wú)法順暢抵達(dá)壓縮機(jī)入口，平衡盤(pán)兩側(cè)壓差變小，軸向力變大。

（5）平衡盤(pán)尺寸設(shè)計(jì)的不合適。平衡盤(pán)的大小直接影響著平衡軸向力的多少，公式計(jì)算可以抵消的軸向力與實(shí)際值存在偏差，如果誤差過(guò)大，推力軸承承載的軸向力就會(huì)有很大偏差，相應(yīng)的，推力軸瓦溫度也會(huì)升高。

（6）停機(jī)方法不當(dāng)。如果一臺(tái)機(jī)組每次都是以緊急拍停的方式停機(jī)，而不是將載荷卸掉，緩慢降速停機(jī)，那么停機(jī)瞬間的背壓過(guò)高，軸向力會(huì)瞬間變大，這樣的突變載荷對(duì)推力軸承與推力盤(pán)都是很大的損害。久而久之，問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)，軸承壽命縮短，運(yùn)行溫度偏高。

（7）機(jī)組定位時(shí)軸頭距或聯(lián)軸器法蘭面距離預(yù)留不準(zhǔn)。定位上述尺寸時(shí)，如果聯(lián)軸器預(yù)拉伸量預(yù)留過(guò)小，熱態(tài)轉(zhuǎn)子軸向膨脹后，聯(lián)軸器會(huì)被壓縮，轉(zhuǎn)子會(huì)受到一個(gè)反作用力，如果這個(gè)力與軸向力同向，此時(shí)，壓縮機(jī)軸向力會(huì)疊加變大，推力軸承溫度也會(huì)升高。

3 改善措施

3.1 配磨推力軸承調(diào)整墊

將推力間隙放大到靠近設(shè)計(jì)上限值。單位時(shí)間通過(guò)瓦面的潤(rùn)滑油量變大，油膜更厚，帶走的熱量更多，這對(duì)降低軸承溫度有一定幫助。案例中的機(jī)組在更換新瓦塊后進(jìn)行了推力間隙的檢測(cè)，并通過(guò)配磨推力調(diào)整墊將推力間隙放大至0.31mm，接近上限0.35mm。

3.2 潤(rùn)滑油品質(zhì)檢測(cè)的時(shí)間間隔適當(dāng)縮短，并統(tǒng)一留底對(duì)比

爭(zhēng)取從細(xì)節(jié)處歸納總結(jié)出油品的持續(xù)變化情況。嚴(yán)格把控油品這道關(guān)，必要時(shí)可以在停產(chǎn)大修的時(shí)候更換潤(rùn)滑油。

3.3 軸承區(qū)拆解檢查時(shí)，注意查看推力盤(pán)光潔度

推力盤(pán)是否存在凹凸點(diǎn)，如果存在問(wèn)題，一定要找壓縮機(jī)制造廠家維修或定制新的推力盤(pán)更換，不可以自行加工。案例機(jī)組的推力盤(pán)有0.02mm 深、1mm 寬的環(huán)狀痕跡。為了消除隱患，大修期間，用戶將轉(zhuǎn)子返廠更換了新的推力盤(pán)并經(jīng)行了高速動(dòng)平衡。

3.4 軸承區(qū)供油壓力調(diào)整到合適范圍

壓縮機(jī)制造廠給的設(shè)計(jì)范圍是0.03～0.13MPa（G），可以將供油壓力調(diào)整至0.10MPa（G），看效果適當(dāng)增加 至0.13MPa（G），這樣做是為了讓潤(rùn)滑油盡可能多的將軸承熱量帶走。由于推力軸承區(qū)分主、副兩個(gè)軸承，所以需要的潤(rùn)滑油量比較大。具體壓力可以結(jié)合著軸承區(qū)排煙情況和瓦溫綜合調(diào)整。

3.5 將推力盤(pán)外緣的甩油環(huán)出油孔直徑放大

此舉為了增大推力軸承區(qū)潤(rùn)滑油的排出量，將軸承的熱量更多地帶走。需要注意的是，擴(kuò)孔后的直徑不宜過(guò)大，最好與壓縮機(jī)制造廠溝通后確定擴(kuò)孔直徑，以防排油量過(guò)大導(dǎo)致進(jìn)油壓力降低，更有甚者會(huì)導(dǎo)致回油管油量過(guò)滿，反而回油不暢。

3.6 更換各級(jí)密封

更換各級(jí)葉輪的口圈密封、級(jí)間密封、平衡盤(pán)密封，將間隙配磨至設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，盡量靠近下限值。適當(dāng)?shù)拈g隙能夠控制氣體泄漏量，從而建立良好的軸向力平衡機(jī)制。

3.7 檢查平衡管是否堵塞

疏通清理平衡管以確保良好的通流直徑。也可請(qǐng)壓縮機(jī)制造廠給出一個(gè)直徑更大的平衡氣管選型。以避免高壓氣體無(wú)法順暢返回入口低壓側(cè)。

3.8 更換大直徑平衡盤(pán)

為了更多地平衡軸向力，請(qǐng)壓縮機(jī)制造廠根據(jù)投產(chǎn)運(yùn)行的軸系、氣路畫(huà)面重新核算實(shí)際軸向力，對(duì)比平衡盤(pán)的平衡能力，找到設(shè)計(jì)與實(shí)際的差距，必要時(shí)對(duì)平衡盤(pán)直徑的計(jì)算加以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)，有機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用中平衡盤(pán)直徑加大了12mm，轉(zhuǎn)子軸向力降低了40%。

3.9 調(diào)整聯(lián)軸器預(yù)拉伸量

綜合考慮轉(zhuǎn)定子膨脹量，盡可能準(zhǔn)確地定位聯(lián)軸器的預(yù)拉伸量，以避免熱態(tài)下聯(lián)軸器對(duì)轉(zhuǎn)子的軸向反作用力。

3.10 更換推力軸瓦為強(qiáng)制供油瓦塊

強(qiáng)制供油瓦塊相比普通瓦塊，對(duì)軸承的潤(rùn)滑效果及瓦面的降溫效果都有很大的提高，由于進(jìn)油側(cè)供油槽的存在，保證了每個(gè)瓦塊都能擁有足夠的潤(rùn)滑油附著。還可以在瓦胎的材質(zhì)上做文章，改用更加不易升溫或者更容易散熱的合金材料制作瓦胎。

4 改善效果及總結(jié)

依照以上改善辦法，案例中的合成氣壓縮機(jī)更換了推力盤(pán)，甩油環(huán)出油孔由φ13 改為了φ16，平衡盤(pán)及相應(yīng)隔板、密封都進(jìn)行了重新計(jì)算與更換?；匮b后發(fā)現(xiàn)，之前的聯(lián)軸器安裝沒(méi)有考慮預(yù)拉伸量。于是，又將聯(lián)軸器中間節(jié)的調(diào)整墊片卸下5 片，調(diào)整至預(yù)拉伸2.0mm 的狀態(tài)，再次運(yùn)行，推力軸承溫度終于穩(wěn)定在了86℃。

其實(shí)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況是否良好，除了與設(shè)備加工制造的質(zhì)量有關(guān)，更與用戶的使用維護(hù)息息相關(guān)。負(fù)荷的加載與卸載是否平穩(wěn)，介質(zhì)混合組分的比例是否穩(wěn)定，檢修時(shí)對(duì)細(xì)節(jié)的把控是否到位、全面等。這些都是影響推力軸承工作狀態(tài)的因素，由此可見(jiàn)，分析一臺(tái)合成氣壓縮機(jī)推力軸承溫度高的問(wèn)題，需要綜合考慮多方面原因，逐項(xiàng)排除逐項(xiàng)完善，才能最終改善溫度偏高的情況。