離心式壓縮機軸瓦溫度升高原因分析與對策

段 波,巫文娟,于紅偉

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司,新疆 克拉瑪依834000)

某公司5萬m3/h制氫裝置原料離心式壓縮機主要是給裝置原料天然氣(CH4)進行加壓處理.該機組將進口為0．8 MPa的天然氣壓縮至2．5 MPa后輸送至后續(xù)系統(tǒng)使用.

1 設(shè)備簡介

某公司5萬m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))制氫裝置原料離心式壓縮機C2501為沈陽鼓風(fēng)機集團制造,型號為2MCL406,出廠序列號為CG328;軸頸90 mm.該機組由電機、增速箱、壓縮機構(gòu)成.壓縮機與增速箱、增速箱和電機之間均由膜片聯(lián)軸器連接.原料離心壓縮機軸承為滑動軸承,其中止推軸承為金斯伯雷式軸承,徑向軸承為可傾瓦軸承,由5塊軸瓦組成.

壓縮機組采用獨立的供油系統(tǒng),壓縮機潤滑油型號為N46號汽輪機油.潤滑油依靠軸頸本身旋轉(zhuǎn)被帶入軸頸和軸承之間,形成楔狀油楔.油楔受到負荷的擠壓產(chǎn)生油壓使軸頸和軸瓦形成最佳油膜,使軸頸和軸瓦之間處在完全液體摩擦中【1】.推力軸承有獨立的進油管線,見圖1.推力軸承進油管線,在軸承座處分成2路,一路進入副推力瓦塊背后,由瓦塊背后基環(huán)、下水準(zhǔn)塊、上水準(zhǔn)塊的間隙進入推力盤和副推力瓦塊的摩擦副;另一路從瓦座通過軸承套環(huán)引至主推力瓦塊后,由瓦塊后基環(huán)、下水準(zhǔn)塊、上水準(zhǔn)塊的間隙進入推力盤和主推力瓦塊的摩擦副.

2 運行過程中存在的問題、原因及危害

2．1 存在問題

制氫裝置原料壓縮機在2018年檢修后開工運行近一年的時間里狀態(tài)平穩(wěn).2019年9月上旬,壓縮機的主推力瓦溫度和變速箱高速軸非聯(lián)軸器端軸瓦溫度突然出現(xiàn)異常,具體情況如下:2019年9月6日,變速箱高速軸非聯(lián)軸器端軸瓦(TISA2568)溫度突然上升,達到80．1℃,之后又逐漸回落,穩(wěn)定在77℃左右;壓縮機的主推力瓦溫度(TISA2560、TISA2561)從2019年9月開始,在未做任何工藝調(diào)整的情況下溫度頻繁升高、回落(如圖2所示).

圖1 推力瓦潤滑油進油系統(tǒng)

2．2 機組解體檢查

針對運行中出現(xiàn)的主推力軸承溫度上升波動的情況,2019年11月24日停機進行拆檢分析(如圖3所示),目測機組主推力瓦塊有潤滑油高溫?zé)Y(jié)積碳跡象,其成分需進一步進行分析.巴氏合金是否完好,也需要進一步檢查證實.

圖2 軸瓦溫度異常趨勢

圖3 主推力軸瓦

外觀檢查時發(fā)現(xiàn):變速箱高速軸非聯(lián)軸器端支撐軸瓦的2個瓦塊積碳,其中正下方的瓦塊有15 mm×20 mm的凹坑,最深約0．5 mm;巴氏合金碾向一側(cè),如圖4所示.

圖4 變速箱高速端軸瓦

3 瓦溫升高的原因分析

3．1 止推軸瓦溫度異常分析

3．1．1 油品質(zhì)量

在壓縮機潤滑過程中,液體動壓軸承的軸頸與軸承被油膜完全隔離.滑動副的兩表面潤滑為流體潤滑【2】,也稱為完全潤滑.當(dāng)壓縮機高速運轉(zhuǎn)時,高溫高壓的工藝氣與潤滑油接觸,潤滑油易出現(xiàn)氧化老化【1】傾向,對壓縮機潤滑產(chǎn)生不良影響.由于溫度是引起油品氧化的主要因素,因此溫度每升高10℃,氧化速度就增加1倍;同時溫度又是影響潤滑油積碳的重要因素,溫度越高,積碳現(xiàn)象發(fā)生得越快,一般潤滑油在60℃時積碳現(xiàn)象就可能緩慢發(fā)生,同時溫度每升高10℃碳化速率就會增加1~2倍.由此可見,潤滑油抗氧化性能、殘?zhí)贾蹬c壓縮機積碳速率成正比.因此壓縮機性能指標(biāo)是潤滑油性質(zhì)鑒定的重要依據(jù).對在用N46汽輪機油進行化驗分析,結(jié)果見表1.

表1 在用油品性質(zhì)分析

表1中在用油性質(zhì)分析結(jié)果顯示:

1)前、后24℃抗泡以及空氣釋放值不滿足指標(biāo)要求,T501含量0．232%;

2)根據(jù)潤滑油抗氧化檢測標(biāo)準(zhǔn)IEC 60666得知,N46汽輪機油抗氧化劑T501含量在0．5%左右,而表中顯示僅為0．232%,較新油的0．5%有所消耗,抗氧化性能相應(yīng)偏低,旋轉(zhuǎn)氧彈90 min.

3．1．2 潤滑油加注量

潤滑油過多也會造成積碳.若潤滑油回油不暢,難揮發(fā)和黏度大的油混合物就會停留在推力軸承下方與軸瓦之間,造成軸承推力間隙減小.軸承推力間隙減小增加了軸瓦的磨損和瓦塊的負載,使得軸瓦溫度持續(xù)升高.

將圖5(b)所示軸承套環(huán)實物與圖5(a)所示的圖紙進行對比發(fā)現(xiàn),套環(huán)實物少了1個泄油孔,導(dǎo)致推力軸承下方的潤滑油積聚,回油不暢,形成高油位,軸承下方的潤滑油不能及時排出,摩擦攪拌作用下溫度較高,推力盤和推力瓦塊之間的部分潤滑油因高溫碳化,覆蓋到瓦塊表面,形成一定厚度的積碳.

圖5 軸承套環(huán)實物與圖紙對比

3．1．3 瓦塊不靈活

由圖3可以看出,帶熱敏元件的止推瓦塊T2560和T2561有燒灼現(xiàn)象,分析原因是由于測溫引線影響了瓦塊的靈活擺動,破壞了潤滑油油膜,導(dǎo)致軸瓦溫度上升.

3．1．4 非正常停機

2018年因異常天氣造成停電,導(dǎo)致壓縮機非正常停機,使得軸向推力驟然增加,增加了止推軸承的負荷,直接導(dǎo)致止推軸承間隙減小,潤滑油溫度升高.

3．2 變速箱高速軸瓦溫度異常分析

針對變速箱高速軸下方軸瓦高溫?zé)Y(jié)積碳、軸瓦表面磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象進行以下幾個方面的分析,查找原因:

1)油品質(zhì)量.化驗分析在用油品性質(zhì),與國家標(biāo)準(zhǔn)進行對照.分析結(jié)果顯示,前、后24℃抗泡以及空氣釋放值不滿足指標(biāo)要求,抗氧化性降低.詳細參數(shù)見表1.

2)對壓縮機振動、軸位移趨勢進行全面分析和評定(見圖6和圖7),并結(jié)合壓縮機振動的振幅、頻譜、相位、軸心軌跡,研究壓縮機振動趨勢和變化特征,對壓縮機進行故障診斷.由圖6和圖7可以看出,壓縮機的振動和軸位移都有上漲的趨勢,反映出軸頸運動軌跡不正常.在機組拆檢過程中也發(fā)現(xiàn)了變速箱高速軸瓦正下方的瓦塊有磨損現(xiàn)象,巴氏合金局部剝落,在瓦塊表面有碳顆粒存在.

圖6 壓縮機振動趨勢

圖7 壓縮機軸位移趨勢

3)將機組拆開后,利用塞尺對變速箱高速軸瓦進行檢測,發(fā)現(xiàn)高速軸與軸瓦之間的間隙為0．2 mm,超出了離心式壓縮機主要部位間隙的標(biāo)準(zhǔn)要求值(1．2~2)‰D(D代表軸頸).

根據(jù)以上檢測可得出如下結(jié)論:下方瓦塊的磨損是由于2018年離心式壓縮機突然停電、裝置緊急停工導(dǎo)致的非正常停機造成的損傷.主要表現(xiàn)為:1)供油泵不能正常工作,潤滑不到位,軸頸和軸瓦油膜破壞,軸瓦溫度升高;2)壓縮機降速未降壓,形成超負荷運行狀態(tài),導(dǎo)致壓縮機振動異常,造成軸瓦日益磨損;3)高速軸與軸瓦間隙增大,由于潤滑不到位,造成軸瓦磨損.

4 避免瓦溫升高的措施

4．1 提高潤滑油性能

在潤滑油中添加T501抗氧化劑、T306抗磨劑及T901抗泡劑,并將加劑后的潤滑油油品與在用用品進行比較.實驗結(jié)果表明:添加抗氧化劑和抗磨劑對破乳化沒有造成破壞,添加抗泡劑對泡沫傾向有一定的改善;添加抗磨劑后,與在用油比對抗磨性有一定的改善.依據(jù)上述實驗得出的結(jié)果,針對油品抗氧化性和抗泡性能不足的問題提出了2個可行方案,并進行方案比選.比選結(jié)果顯示,方案1優(yōu)于方案2,詳細參數(shù)見表2.

表2 加劑優(yōu)化方案并與在用油比較

4．2 降低止推軸承溫度

1)考慮止推軸承為金斯伯雷式軸承,其支承面為硬質(zhì)合金,磨損較慢,因此,將止推瓦塊上積碳用煤油進行清洗處理.處理后,經(jīng)著色檢查,巴士合金和基體金屬結(jié)合良好,巴士合金層無脫胎、裂紋、燒灼、碾壓、沖蝕等缺陷,如圖8所示.

圖8 處理后的止推瓦塊

2)針對軸承套環(huán)少1個泄油孔、導(dǎo)致回油量降低的問題,考慮軸承套環(huán)開孔處應(yīng)力集中,重新核算了其開孔處應(yīng)力,并由廠家進行專業(yè)處理.由于油量不足,油膜剛度不均勻,導(dǎo)致軸承的承載能力降低,油楔形成的承載油膜短,因此,宜適當(dāng)增大楔形度.采取開大進油油楔的方法,使?jié)櫥湍軌蚋玫剡M入軸瓦表面、更好地形成油膜.開大進油油楔后,推力瓦間隙0．32 mm,符合0．25~0．35 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求.

4．3 降低變速箱高速軸瓦溫度

如圖9所示,使用高速軸聯(lián)軸器端一幅新瓦中的2個瓦塊,分別替換了高速軸2個支撐瓦的下瓦塊.其中1個瓦塊重新鉆測溫探頭的孔.具體操作方法如下:

1)為實現(xiàn)軸瓦和軸頸之間均勻接觸,確保軸瓦與軸頸接觸角和接觸點達到軸瓦和軸頸接觸質(zhì)量要求,采取刮研方法【1】.在裝配過程中,采用著色法檢測.用刮刀將色斑刮去,反復(fù)數(shù)次直到合格.

圖9 處理后的支撐軸瓦塊

2)瓦塊進油邊緣圓滑過渡,并將進油側(cè)的油楔開大,適宜潤滑油流入油楔.

3)采用壓鉛絲法調(diào)整聯(lián)軸器側(cè)軸瓦間隙分別為0．18和0．17 mm;齒輪側(cè)間隙分別為0．29和0．27 mm.

4)為防止軸瓦在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)動和軸向偏移的情況,除使用軸瓦與軸承座過盈配合以及設(shè)置定位銷外,軸瓦還必須用軸承蓋壓緊,平衡其彈性壓縮變形量.通過調(diào)整軸承蓋和軸承座結(jié)合面墊片厚度使軸承壓緊力達到規(guī)范要求.軸承壓緊力【1】(軸承壓緊后的彈性變形量)分別為0．02和0．04 mm.

5 實際應(yīng)用效果

采取上述措施對機組進行檢修處理后,壓縮機推力瓦溫度、變速箱高速軸軸瓦溫度大幅降低,均保持在50~55℃范圍內(nèi).實測機組振動值,壓縮機及電機的前、后端振動值均低于1．8 mm/s,變速箱最大振動值在低速軸軸承垂直方向,為3．3 mm/s.檢修前、后的在線監(jiān)測值基本一致,部分測點的振動值略有減小.