輸油泵電機(jī)軸瓦夏季溫度偏高原因分析及對策

摘要：主要分析了哈密區(qū)域3個輸油站電機(jī)每年6月至9月運(yùn)行時軸瓦溫度異常狀況，通過對電機(jī)軸瓦溫度影響因素進(jìn)行全面歸納總結(jié)，得出導(dǎo)致電機(jī)軸瓦夏季溫度偏高的主要原因，并提出可行的改進(jìn)建議和措施，以此指導(dǎo)輸油泵電機(jī)開展預(yù)防性檢維修工作，防止電機(jī)因溫度影響出現(xiàn)計(jì)劃外停機(jī)故障，保障輸油站場生產(chǎn)平穩(wěn)高效進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：軸瓦；潤滑油粘度；光潔度；熱平衡

中圖分類號：TH17? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0027-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.008

0? ? 引言

輸油泵機(jī)組作為液體管道的核心設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行對整個管輸系統(tǒng)的高效、平穩(wěn)運(yùn)行影響至深。機(jī)組安裝于敞開式泵棚區(qū)中，長期工作在風(fēng)沙多、溫差大的室外自然環(huán)境中，設(shè)備的各類部件出現(xiàn)故障的概率較大，頻繁故障停機(jī)會對整個系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，本文主要統(tǒng)計(jì)分析從2020年至2022年哈密區(qū)域3個輸油站（四堡輸油站、翠嶺輸油站和河西輸油站）輸油泵配套電機(jī)每年6月至9月運(yùn)行時軸瓦溫度異常趨于報警值的異常狀況。

為把電機(jī)軸瓦溫度異常故障減到最少，需對電機(jī)軸瓦溫度影響因素進(jìn)行全面歸納總結(jié)，從而得出導(dǎo)致電機(jī)軸瓦夏季溫度偏高的主要原因，并提出可行的改進(jìn)建議和措施，以此指導(dǎo)輸油泵電機(jī)開展預(yù)防性檢維修工作，防止電機(jī)因溫度影響出現(xiàn)計(jì)劃外停機(jī)故障，保障輸油站場生產(chǎn)平穩(wěn)高效進(jìn)行。

1? ? 雙蘭線哈密段電機(jī)分布記錄

在雙蘭線哈密段站場，輸油泵機(jī)組采用“泵+西門子/ABB電機(jī)”方式，西門子電機(jī)和ABB電機(jī)具有相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，均為鼠籠式三相感應(yīng)異步電機(jī)，雙蘭線哈密段3個輸油站共計(jì)27臺主泵電機(jī)，分布統(tǒng)計(jì)如圖1所示，其中西門子定速電機(jī)25臺、ABB調(diào)速電機(jī)2臺（四堡站成品油B-C05403/B-C05404泵配套使用），在本文中提取3個輸油站27臺輸油泵電機(jī)運(yùn)維數(shù)據(jù)作為研究對象。

2? ? 電機(jī)軸瓦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)熱原理

西門子電機(jī)軸瓦結(jié)構(gòu)方式為水平中開式自潤滑軸瓦，是軸系安裝定位的關(guān)鍵部件。在停機(jī)狀態(tài)時，電機(jī)軸頸位于軸瓦內(nèi)表面的下部，與軸瓦處于邊界潤滑摩擦狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，潤滑油由于黏性而附著在軸頸表面，被卷入軸頸與軸瓦的楔形間隙之中產(chǎn)生油壓，油隙漸窄的部位油壓較大，通過油壓將軸頸托起，使其在油膜[1]上懸浮旋轉(zhuǎn)，油膜形成動態(tài)過程如圖2所示。油膜起到減振、潤滑、冷卻的效果，因此，為提高電機(jī)傳動效率，要求軸承與軸頸間必須形成良好的油膜，防止軸系表面“接觸”導(dǎo)致軸瓦異常溫升。

3? ? 軸瓦溫升要因確認(rèn)

維修人員從造成滑動軸承異常溫升要素入手，排查裝配尺寸、配合間隙、表面粗糙度、光潔度、潤滑油粘度、振動值、熱平衡，找出軸瓦夏季溫度主要影響因素，進(jìn)而制定應(yīng)對措施，以確保電機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

3.1? ? 裝配尺寸

2022年8月至9月，對27臺輸油泵電機(jī)進(jìn)行專項(xiàng)排查，測量電機(jī)軸瓦安裝位置處軸徑110 mm，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測量配合尺寸：

1）頂間隙范圍為0.16～0.22 mm，側(cè)間隙范圍為0.10～0.22 mm；軸瓦接觸角范圍在60°～85°，接觸面位于下軸瓦中部，無連片亮點(diǎn)，接觸點(diǎn)為（2點(diǎn)～4點(diǎn)）/cm2；

2）軸竄量小于0.10 mm、軸頸處圓周跳動小于0.01 mm；

3）靠背輪間距與聯(lián)軸節(jié)長度偏差小于0.10 mm。

以上尺寸實(shí)測數(shù)值符合110 mm軸徑在滑動軸承間隙、竄量、跳動（API標(biāo)準(zhǔn)）及同軸度要求[2]范圍內(nèi)，裝配尺寸不是導(dǎo)致軸瓦溫度異常上升的要因。

3.2? ? 光潔度

在故障排查和專項(xiàng)檢查過程中，現(xiàn)場拆解電機(jī)軸承箱、軸瓦及其附件，軸承箱內(nèi)部表面附著深色油漬（輸油泵電機(jī)潤滑油未開展廢油檢測，變色、變質(zhì)原因未知），軸瓦、軸頸表面在對應(yīng)圓周方向有不同程度的摩擦痕跡，如圖3所示，可能為潤滑油污染，油品存放不當(dāng)、密封不嚴(yán)致使空氣中飄浮的細(xì)微塵土顆?；烊霛櫥?，破壞電機(jī)軸瓦、軸頸表面光潔度[3]，影響軸瓦接觸精度。

軸瓦發(fā)熱量主要是由軸瓦與轉(zhuǎn)子軸頸的摩擦引起的軸功率損失形成，由軸功率損失公式Nr=10.5×10-4×n×M，M=0.5 μPd（式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；μ為軸瓦摩擦系數(shù)，取值0.01～0.2；P為軸承負(fù)荷；d為軸承內(nèi)徑）可以看出，軸功率損失與軸承負(fù)載、摩擦系數(shù)成正比。在額定負(fù)載范圍內(nèi)，軸瓦、軸頸光潔度降低，軸瓦發(fā)熱量增多，溫度上升后油膜厚度[4]減小，進(jìn)入軸瓦發(fā)熱、油膜厚度（強(qiáng)度）降低、繼續(xù)發(fā)熱的惡性循環(huán)。因此，光潔度是導(dǎo)致軸瓦溫度異常上升的要因。

3.3? ? 潤滑油粘度

電機(jī)夏季使用潤滑油為美孚抗磨液壓油DTE22（等同于ISO VG22），其40 ℃時運(yùn)動粘度為21 cSt，100 ℃時運(yùn)動粘度為4.5 cSt。通過運(yùn)動粘度計(jì)算器得出：電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時軸瓦平均溫度80 ℃，此時VG22運(yùn)動粘度為6.71 cSt；夏季高溫時段，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時軸瓦溫度93 ℃，此時VG22運(yùn)動粘度為5.12 cSt。兩項(xiàng)數(shù)值大于100 ℃時潤滑油運(yùn)動粘度，滿足使用要求。

在日常檢維修過程中，作業(yè)人員按照檢修規(guī)程要求定期開展?jié)櫥透鼡Q（檢維修手冊要求更換周期為8 000 h，實(shí)際更換周期為2 000 h），且液位保持在1/2處，潤滑油粘度不是導(dǎo)致軸瓦溫度異常上升的要因。

3.4? ? 振動值

從機(jī)泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)查詢電機(jī)振動值（振動烈度，mm/s）采集數(shù)據(jù)，27臺輸油泵電機(jī)振動值在0.5～2.0 mm/s，根據(jù)振動烈度評價標(biāo)準(zhǔn)[5]，輸油泵電機(jī)屬于第四類安裝在剛性基礎(chǔ)上的輔助機(jī)械，測量振動值分布在A區(qū)，評價為優(yōu)秀；振動值不是導(dǎo)致軸瓦溫度異常上升的要因。

3.5? ? 熱平衡

從電機(jī)產(chǎn)生熱量、散熱方面分析，根據(jù)能量守恒定律公式：

式中：Q1為軸系單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量；Q2為軸承箱單位時間向空氣中熱輻射的散熱量；W為空氣質(zhì)量流量，W=ρV/t，ρ為空氣密度（1.1～1.4 kg/m3），V為換熱空氣體積，1/t為常數(shù)1.29；C為空氣等壓比熱容，C=1.004 kJ/（kg·K）；ΔT為溫差值，ΔT=T2-T1，T2為潤滑油溫度（即軸瓦溫度），T1為環(huán)境溫度。

得出：

不考慮電機(jī)其他形式的熱輻射，從式（2）分析，熱量輻射差ΔQ分為以下3種情況：

1）ΔQ＜0，即Q1＜Q2，電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)行平穩(wěn)前，軸系產(chǎn)生熱量通過熱輻射傳導(dǎo)至軸系部件、潤滑油，使軸系部件、潤滑油溫度上升，少量熱量通過軸承箱散熱傳導(dǎo)至外部空氣中；

2）ΔQ=0，即Q1=Q2=1.29ρV（T2-T1），電機(jī)達(dá)成平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，軸系產(chǎn)生的熱量與軸承箱散熱量相等，查詢文獻(xiàn)[5]：潤滑油溫度為75 ℃時潤滑油性能到達(dá)最優(yōu)狀態(tài)；

3）ΔQ＞0，即Q1＞Q2，軸系產(chǎn)生的熱量大于軸承箱散熱量，隨環(huán)境溫度升高，溫差ΔT減小、空氣密度減小，軸承箱散熱量（Q2）降低，經(jīng)軸承箱散熱后剩余熱量殘留在軸承箱內(nèi)部，使?jié)櫥蜏囟龋═2）持續(xù)升高，T2＞75 ℃直至在高溫點(diǎn)重新達(dá)成熱平衡狀態(tài)。

輸油泵電機(jī)安裝于室外敞開式泵棚區(qū)內(nèi)，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時潤滑油溫度為80 ℃。電機(jī)夏季室外最高溫度達(dá)到50 ℃，潤滑油溫度最高為93 ℃。符合上述情況3）內(nèi)容，熱平衡是導(dǎo)致潤滑油溫度異常上升的要因。

4? ? 處理對策

通過以上分析，清潔度和熱量為導(dǎo)致電機(jī)軸承箱溫度異常上升的主要原因，針對這兩個要因，采取以下措施可有效降低軸瓦運(yùn)行溫度。

4.1? ? 按照“五定管理” “三級過濾”的要求提升潤滑油管理水平

將潤滑油計(jì)量器具、油壺等工器具分類管理，嚴(yán)禁不同牌號潤滑油混用，做好工器具防塵措施，從源頭降低潤滑油污染概率，確保清潔度。在軸承箱開蓋檢查過程中，對軸承箱注油口、呼吸閥、內(nèi)部各部件表面使用膠泥粘粘、潤滑油沖洗、接觸面拋光等方法清潔處理，避免浮塵等雜質(zhì)落入軸承箱，導(dǎo)致軸瓦、軸頸接觸面在運(yùn)行過程中“磨砂式微切割”，保護(hù)軸系表面光潔度，防止軸瓦溫升。目前，輸油站場軸承箱潤滑油未定期送檢，在檢修時排放出的潤滑油集中處理，維修人員在檢修報告中描述潤滑油顏色、有無雜質(zhì)等外觀檢查，無潤滑油化驗(yàn)結(jié)果，潤滑油粘溫特性、酸度、含水量、雜質(zhì)類型、顆粒度等無有效證明數(shù)據(jù)，建議公司按照壓縮機(jī)潤滑油管理制度執(zhí)行定期送檢，提升潤滑油管理質(zhì)量。

4.2? ? 改善自散熱軸承箱換熱效率

通過式（2）分析，在同一工況條件下，要將潤滑油溫度調(diào)整下降到75 ℃最優(yōu)狀態(tài)，需提高換熱空氣體積V、增大溫差ΔT值，在環(huán)境溫度不可改變的情況下，增加軸承箱外部通風(fēng)量、降低溫度，提高換熱效率，降低軸承箱軸瓦溫度。在夏季高溫時段進(jìn)行試驗(yàn)：當(dāng)環(huán)境溫度38 ℃時，四堡站原油4#泵電機(jī)軸瓦運(yùn)行溫度接近93 ℃，通過外部架設(shè)軸流風(fēng)機(jī)，對電機(jī)軸承箱外殼進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，如圖4所示，電機(jī)軸瓦溫度下降3～5 ℃，散熱效果明顯。建議開展電機(jī)軸承箱冷卻系統(tǒng)改造試驗(yàn)，提高電機(jī)軸承箱換熱效率，降低電機(jī)軸瓦在高溫時段運(yùn)行時的溫度，保證關(guān)鍵設(shè)備可靠性。

4.3? ? 消除環(huán)境溫度對軸對中數(shù)據(jù)的影響

輸油站場電機(jī)軸材料S355J2G2+N（ST 52.3N）等同于國標(biāo)Q345D材質(zhì)（表面熱處理）。在不同溫差范圍內(nèi)，軸徑向膨脹量[5]：

式中：α為熱膨脹系數(shù)，α=10×10-6；L為電機(jī)中心高度；ΔK為溫差，ΔK=50 K。

經(jīng)過計(jì)算，軸徑向膨脹量最大值0.25 mm。

在檢維修過程中，現(xiàn)場作業(yè)人員按照公司《泵機(jī)組操作維護(hù)檢修規(guī)程 第1部分：臥式離心輸油》要求進(jìn)行對中作業(yè)，明確徑向及端面偏差d：-0.05 mm≤d≤+0.05 mm。維修人員在冬防保溫檢修時將對中數(shù)據(jù)調(diào)整至上偏差+0.05 mm，在春季檢修過程中將對中數(shù)據(jù)調(diào)整至下偏差-0.05 mm，通過主動調(diào)整電機(jī)對中數(shù)據(jù)，削減季節(jié)交替、環(huán)境溫度突變對軸膨脹收縮的影響，確保對中數(shù)據(jù)在要求范圍內(nèi)，消除因?qū)χ衅钤斐傻碾姍C(jī)軸瓦溫度偏高故障。

4.4? ? 優(yōu)化運(yùn)行方案

首先，針對在役液體管道輸量不均衡的運(yùn)行狀態(tài)，管線的實(shí)際輸量與設(shè)計(jì)能力有較大偏差，使生產(chǎn)設(shè)備、工藝運(yùn)行等系統(tǒng)部分處于不經(jīng)濟(jì)的狀況下運(yùn)行，造成無功損耗增大、功率因數(shù)低、運(yùn)行效率低等問題。其次，需要持續(xù)研究不同油品、不同輸量下最合理的輸送方案，合理匹配站場和設(shè)備，將電機(jī)載荷、運(yùn)行效率控制在最佳工作區(qū)域內(nèi)，減少能源浪費(fèi)，降低運(yùn)行成本，提高輸油系統(tǒng)效率。第三，定期監(jiān)測輸油泵狀態(tài)、能效，對低效率、高能耗輸油泵機(jī)組制定大修計(jì)劃，通過開蓋大修提升泵運(yùn)行效率，延長機(jī)泵使用時間。

5? ? 結(jié)束語

輸油主泵電機(jī)軸瓦溫度夏季偏高產(chǎn)生的原因復(fù)雜、多樣，解決有一定難度，不能采取更換軸瓦、潤滑油等手段簡單了事，對維檢修人員的故障判斷和處置能力提出了更高的要求。在故障排查過程中，維檢修人員應(yīng)在充分了解設(shè)備運(yùn)行狀況的基礎(chǔ)上進(jìn)行認(rèn)真分析，從軸承裝配、結(jié)構(gòu)、輔助設(shè)施等多方面著手，抓住根本原因，采取有針對性的措施，解決軸瓦溫度異常故障，降低故障停機(jī)率，提高機(jī)組安全運(yùn)行性能，為實(shí)現(xiàn)公司輸油泵機(jī)組無故障運(yùn)行16 000 h目標(biāo)打好基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 吳兆景，徐巖，李瀧杲.軸瓦開槽的滑動軸承動壓潤滑數(shù)值分析[J].機(jī)械制造與自動化，2018，47（6）：20-24.

[2] 臥式離心輸油泵機(jī)組操作維護(hù)檢修規(guī)程：Q/SY XG 0098—2019[S].

[3] 秦超.表面粗糙度對滑動軸承潤滑靜特性影響試驗(yàn)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2017.

[4] 黃華.電機(jī)軸瓦夏季溫度偏高原因分析與對策[J].湖南電力，1999（3）：26-27.

[5] Mechanical vibration of machines with operating speeds from 10 to 200 rev/s-Basis for specifying evaluation standards：ISO 2372—1974[S].

收稿日期：2023-02-15

作者簡介：魯成云（1972—），男，甘肅永登人，工程師，研究方向：油氣設(shè)備管道維搶修。