高溫泵軸承失效分析及潤(rùn)滑可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用*

張柏成 譚桂斌 馮 偉 鐘龍風(fēng)

(1.中海油惠州石化有限公司 廣東惠州 516086；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，工業(yè)摩擦潤(rùn)滑技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心 廣東廣州 510535)

在中海油惠州石化有限公司120萬噸/年重油催化裝置(I)油漿泵，2009年6月正式建成投產(chǎn)使用，為裝置主要設(shè)備，在石化企業(yè)同行均定為A類設(shè)備，位號(hào)102-P207A、B兩臺(tái)，日常生產(chǎn)一開一備，3個(gè)月切換一次運(yùn)行。該油漿泵設(shè)備采用集中油霧潤(rùn)滑的方式，采用的潤(rùn)滑油為昆侖牌L-TSA-46#汽輪機(jī)油。自煉油裝置開工以來，油漿泵的軸承運(yùn)行較穩(wěn)定，2010年11月份大修時(shí)因軸承游隙增大更換了一次軸承。更換時(shí)軸承共服役近18個(gè)月，除軸承游隙增大外，軸承沒有明顯的損壞。而大修后該油漿泵的軸承僅運(yùn)行13個(gè)月后，通過設(shè)備潤(rùn)滑可靠性監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)102- P207B油漿泵的軸承箱用定位軸承磨損參數(shù)急劇增加，軸承內(nèi)側(cè)保持架損壞嚴(yán)重，已完全磨損、剝落失效[1-5]。本文作者結(jié)合油液監(jiān)測(cè)剖析了高溫泵軸承失效的原因，并探討設(shè)備潤(rùn)滑可靠性監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)和系統(tǒng)在煉油裝置動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用。

1 油漿泵軸承失效位置及失效模式

重油催化裝置分流系統(tǒng)油漿泵為浙江某企業(yè)加工制造，為單級(jí)懸臂離心泵。該泵輸送介質(zhì)為重油催化油漿，泵工藝參數(shù)見表1。其前軸承型號(hào)為7314BECB(聯(lián)軸器側(cè))，后軸承型號(hào)為NU218E,均為進(jìn)口精密軸承。

表1 油漿泵主要工藝參數(shù)

102-207B油漿泵使用的潤(rùn)滑油每月都會(huì)取樣進(jìn)行鐵譜分析。2012年11月，鐵譜分析發(fā)現(xiàn)油中有少量鋼質(zhì)和大量細(xì)小銅合金異常磨損顆粒，磨損金屬元素Cu含量偏高，直讀鐵譜DL、DS值嚴(yán)重偏高，如圖1所示。通過油液監(jiān)測(cè)分析初步判定油漿泵的軸承滾珠及保持架存在異常磨損。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式監(jiān)測(cè)儀對(duì)軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6]，測(cè)得軸承箱軸承部位振動(dòng)、溫度信號(hào)正常，但軸承的振動(dòng)加速度值超過正常值，軸承故障因子參數(shù)超標(biāo)，泵的垂直、水平方向振動(dòng)加速度值均超過5g危險(xiǎn)報(bào)警值，且對(duì)應(yīng)的軸承故障因子DEF值也超過報(bào)警值7，見表2。

圖1 油液中磨粒

表2 機(jī)泵測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值

通過對(duì)軸承結(jié)構(gòu)、振動(dòng)頻譜等綜合分析，初步確定軸承存在故障。停機(jī)檢修后發(fā)現(xiàn)，該油漿泵的推力球軸承損壞嚴(yán)重，保持架幾乎全部磨損剝落，只剩下有4個(gè)滾珠架相連，滾動(dòng)體有明顯的磨損故障，如圖2所示。這些失效位置、失效模式與設(shè)備油液監(jiān)測(cè)診斷的結(jié)論吻合。

圖2 磨損失效的油漿泵軸承

2 油漿泵軸承磨損失效原因分析

2.1 軸承潤(rùn)滑

102-207B油漿高溫泵采用的是集中油霧潤(rùn)滑方式，從設(shè)備檢修記錄上看，自2009年6月投產(chǎn)以來軸承潤(rùn)滑穩(wěn)定、可靠，油漿泵運(yùn)行18個(gè)月后(從2009年6月至2010年11月的“大修窗口”)，定期檢修時(shí)更換了一次軸承。因此，集中油霧潤(rùn)滑方式是基本能夠滿足要求的。但大型煉油裝置可能影響到軸承壽命的因素很多，軸承正常運(yùn)行也受到了外部工況的影響，如設(shè)備檢修前后軸承存在同心度、平衡度的差異，軸承裝配質(zhì)量存在差異，不同批次軸承質(zhì)量和耐久性存在差異等；此外，檢修后的油漿泵本身形態(tài)發(fā)生變化，機(jī)泵同軸度雖在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，而軸向和徑向的偏差在每次檢修之后都是不確定的；軸承產(chǎn)品質(zhì)量雖然沒問題，但是每個(gè)軸承游隙也是有區(qū)別的，不同批次的軸承材料采購(gòu)上也存在差別。這些外在的影響因素，會(huì)導(dǎo)致在同一個(gè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境下，油漿泵軸承的真實(shí)服役壽命存在顯著的差異。

2.2 軸承箱結(jié)構(gòu)

油漿高溫泵為浙江某企業(yè)生產(chǎn)，輸送介質(zhì)油漿的溫度為340 ℃，制造商為了確保機(jī)泵運(yùn)行安全穩(wěn)定，采用了較大的“安全裕度設(shè)計(jì)”或“安全系數(shù)”，除材質(zhì)選擇上耐高溫、耐腐蝕，其設(shè)計(jì)的機(jī)泵殼體體積、尺寸較大，所以，直接造成了軸承箱的箱體更長(zhǎng)、徑向更大，形成了軸承箱內(nèi)腔體空間尺寸偏大。但是，軸承設(shè)計(jì)選用的直徑偏小，又在軸承箱的兩端點(diǎn)，推力球軸承承載機(jī)泵運(yùn)行的剩余軸向力，如果是在油浴潤(rùn)滑稀油的運(yùn)行環(huán)境下是能夠滿足設(shè)備的嚴(yán)苛工況條件的，因?yàn)檩S承部分浸在油液中，潤(rùn)滑摩擦區(qū)域不會(huì)存在干摩擦等問題。但是，在集中油霧潤(rùn)滑裝置中，油液是通入油霧發(fā)生器，利用文氏管或渦旋效應(yīng)或共振腔，以儀表風(fēng)為載體，使得潤(rùn)滑油霧化成3～5 μm的油霧顆粒，與儀表風(fēng)形成含油量為5×10-6的油霧流，最終，通過細(xì)長(zhǎng)的潤(rùn)滑流體管道將油霧送到機(jī)泵軸承箱。根據(jù)油霧量的設(shè)計(jì)，選用了較大油霧量的噴嘴。

但是，通過對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及102-207B油漿泵的軸承失效位置和失效模式的分析，該軸承是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的輕微摩擦磨損，慢慢積累而產(chǎn)生的嚴(yán)重磨損和剝落(在2012年11月呈現(xiàn)了明顯的磨損元素超標(biāo)，短時(shí)間急劇增加的現(xiàn)象)。另外，通過油液監(jiān)測(cè)診斷發(fā)現(xiàn)，在軸承箱較大尺寸的腔體內(nèi)可能出現(xiàn)油霧量供油不足、溫度極高、轉(zhuǎn)速較快等嚴(yán)苛瞬態(tài)工況，再加上軸承在軸承箱兩端的“局域”死角盲區(qū)位置，在油漿泵長(zhǎng)時(shí)間服役過程中，未形成長(zhǎng)周期的、充足的軸承潤(rùn)滑油膜。

因此，因存在潤(rùn)滑系統(tǒng)和裝置設(shè)計(jì)的不足，102-207B油漿泵的軸承在“乏油”潤(rùn)滑條件下運(yùn)行，再加上油漿泵循環(huán)輸送的是高溫、腐蝕、易燃重油介質(zhì)等，又導(dǎo)致了軸承箱的軸承微觀接觸區(qū)瞬態(tài)溫升、供油困難、“油膜坍塌失效”等，不可避免地誘發(fā)了軸承表面的摩擦磨損、疲勞磨損。

2.3 油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)

查看設(shè)備的維護(hù)和檢修資料手冊(cè)，102-207B油漿泵的軸承潤(rùn)滑采用了LubriMist-IVT油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)，裝置建成投產(chǎn)后(從2009年6月起)，該油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)總體運(yùn)行安全、平穩(wěn)、可靠，沒有中間的計(jì)劃外停機(jī)檢修情況出現(xiàn)，基本滿足了大型煉油裝置4年一修的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。此外，機(jī)泵群使用的潤(rùn)滑供油系統(tǒng)核心的油霧主機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，所保障的機(jī)泵數(shù)量、距離、結(jié)構(gòu)等完全符合要求，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)要求，潤(rùn)滑供油系統(tǒng)的油霧裝置可最遠(yuǎn)輸送至距離主機(jī)180 m的機(jī)泵軸承箱，且可滿足80臺(tái)(套)機(jī)泵的合理潤(rùn)滑需求。另外，油霧主管線的坡度、結(jié)構(gòu)、尺寸等也符合規(guī)定，油霧進(jìn)入軸承箱的路徑、壓力合格，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備隱患點(diǎn)的排查和分析發(fā)現(xiàn)，在機(jī)泵潤(rùn)滑供油系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、使用、維護(hù)上沒有發(fā)現(xiàn)問題。

雖然在機(jī)泵群的油霧量設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)過了詳細(xì)的計(jì)算、分析，按較大的油霧量進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，也選定了合理的油霧噴嘴尺寸，但是該油漿泵的大型軸承箱體內(nèi)腔的空間較大、軸承尺寸較小，導(dǎo)致了油霧進(jìn)入軸承箱體內(nèi)的油霧量是有限的、供應(yīng)量易波動(dòng)。大型軸承箱的軸承摩擦接觸區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的油霧介質(zhì)供應(yīng)不足、供應(yīng)不穩(wěn)定，那么，軸承滾動(dòng)體與保護(hù)架之間形成的油膜厚度不足、油膜形態(tài)不均勻，而油漿泵長(zhǎng)時(shí)間、不間斷地在重載摩擦下運(yùn)行，最終導(dǎo)致了承載能力大、載荷校大的推力球軸承過早磨損失效。

3 改進(jìn)措施及效果

該油漿泵為分流塔底的熱油泵，介質(zhì)具有高溫、腐蝕、易燃性的特點(diǎn)，一旦機(jī)泵的軸承箱、機(jī)械密封發(fā)生介質(zhì)泄漏就會(huì)誘發(fā)污染、著火事故等。大型煉廠該類油漿泵的泄漏、著火事故等頻見報(bào)道。所以，對(duì)于油漿泵軸承箱的軸承的長(zhǎng)周期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行是非常重要的，是保證大型煉油裝置安全可靠運(yùn)行的前提條件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)泵群運(yùn)行的實(shí)際情況，在保留原有油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先恢復(fù)了油浴稀油潤(rùn)滑的供油方式，對(duì)集中的油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使油漿泵大型軸承箱的軸承在2種潤(rùn)滑方式下運(yùn)行，使?jié)櫥┯头绞綄?shí)現(xiàn)了雙保險(xiǎn)，從而使油漿泵大型軸承箱的軸承運(yùn)行安全性、可靠性得到了顯著提升[7-9]。改造好取得了良好的效果，根據(jù)檢修履歷記錄，2013年10月和2019年3月進(jìn)行了2次檢修，對(duì)機(jī)泵群在該部位的軸承進(jìn)行了檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)類似的磨損失效現(xiàn)象，該油漿泵大型軸承箱的軸承處于良好的潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)。

4 設(shè)備潤(rùn)滑可靠性監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)和系統(tǒng)的應(yīng)用

考慮潤(rùn)滑油離線監(jiān)測(cè)存在數(shù)據(jù)滯后現(xiàn)象，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的故障隱患[10]。為實(shí)現(xiàn)重要裝置潤(rùn)滑狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，中海油惠州石化有限公司上線了一套設(shè)備潤(rùn)滑可靠性管理及狀態(tài)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備的油品選用、新油檢測(cè)與儲(chǔ)存、污染監(jiān)控、使用監(jiān)測(cè)等全過程進(jìn)行管理，能科學(xué)合理地確定潤(rùn)滑油的使用壽命和換油周期。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了動(dòng)設(shè)備潤(rùn)滑運(yùn)行的磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油污染狀態(tài)監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油使用性能監(jiān)測(cè)，還對(duì)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)診斷，為設(shè)備維修決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。多年的實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)石化動(dòng)設(shè)備磨損故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)92.3%。

根據(jù)該系統(tǒng)，采集的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及潤(rùn)滑信息可用于設(shè)備油液監(jiān)測(cè)、故障診斷及維護(hù)管理等，同時(shí)還可與項(xiàng)目合作方的實(shí)驗(yàn)室LIMS系統(tǒng)、企業(yè)設(shè)備潤(rùn)滑可靠性管理系統(tǒng)等接口兼容，做到多信息共享。系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 動(dòng)設(shè)備潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

5 總結(jié)與展望

通過設(shè)備潤(rùn)滑可靠性監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了102- P207B油漿泵的軸承箱用定位軸承磨損故障問題，避免了大的安全事故。

為了有效監(jiān)控機(jī)泵軸承運(yùn)行狀態(tài)，防止故障及事故發(fā)生，提前進(jìn)行預(yù)防維修，在國(guó)內(nèi)同行首次上線了大型煉化企業(yè)的機(jī)泵群油液監(jiān)測(cè)平臺(tái)，滿足了關(guān)鍵機(jī)泵群軸承潤(rùn)滑磨損狀態(tài)的快捷、及時(shí)、高效的監(jiān)控診斷重大需求。利用該監(jiān)測(cè)平臺(tái)，結(jié)合油液監(jiān)測(cè)的定期采樣分析數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)便攜式檢測(cè)儀器采集數(shù)據(jù)及聽診器監(jiān)聽分析等多元化的組合方法，可以綜合診斷評(píng)價(jià)油漿泵軸承的失效位置、失效規(guī)律。下一步，將探索大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)如何應(yīng)用到石化動(dòng)設(shè)備的早期故障監(jiān)測(cè)及智能化運(yùn)維。