空分設(shè)備空壓機(jī)軸振故障的分析與處理

周 強(qiáng)

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰 214400）

引言

興澄特鋼制氧廠共有4 套全低壓流程空分裝置。其中KDNOAr-39 000∕38 000∕1 460 空分裝置于2009 年9 月投產(chǎn)，一直運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大問題，但近期該空壓機(jī)在運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)二級(jí)軸溫高并伴有Y 向軸振高的故障，多次因監(jiān)測(cè)數(shù)值波動(dòng)引發(fā)減產(chǎn)甚至停機(jī)事故。

1 空壓機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)況

38 000 m3∕h制氧機(jī)組空壓機(jī)采用的是三級(jí)離心式壓縮機(jī)，型號(hào)為GT 063L2K1，由低噪音單螺旋正齒的增速齒輪組驅(qū)動(dòng)，空氣排氣量為196 000 m3∕h，吸入空氣壓力98.4 kPa，排氣壓力0.6 MPa?？諝鈮嚎s機(jī)是整個(gè)空分的核心設(shè)備。

2 空壓機(jī)故障現(xiàn)象

2022 年7 月至11 月，38 000 m3∕h 制氧機(jī)組空壓機(jī)在運(yùn)行期間二級(jí)Y 向發(fā)生軸振波動(dòng)60 次（達(dá)到報(bào)警值61 μm），停機(jī)2次（達(dá)到停機(jī)聯(lián)鎖值96 μm），嚴(yán)重影響空分設(shè)備的正常運(yùn)行，因次只能減負(fù)荷運(yùn)行，并計(jì)劃停機(jī)解體大修。

空壓機(jī)出現(xiàn)軸振嚴(yán)重波動(dòng)主要在3個(gè)階段：

（1）提高氧氣產(chǎn)量階段，出口氧氣產(chǎn)量提升，必然需要增加空壓機(jī)的進(jìn)氣量?？諌簷C(jī)導(dǎo)葉開度增大，負(fù)荷變大會(huì)導(dǎo)致二級(jí)軸振和軸溫升高。

（2）天氣炎熱、氣溫較高時(shí)，空氣壓力偏低，空氣單位密度比較稀薄，空壓機(jī)需要調(diào)整自身導(dǎo)葉來獲取更多空氣，因此會(huì)導(dǎo)致軸溫和軸振偏高。另外在夏季循環(huán)水溫度高，油冷卻器冷卻效果不好，導(dǎo)致油溫高時(shí)（不能形成很好的油膜），也會(huì)使軸振升高。

（3）提升排氣壓力階段，受排氣壓力影響，級(jí)間滯留的氣體量增加，會(huì)導(dǎo)致軸振動(dòng)增加，造成高報(bào)警聯(lián)鎖。

3 空壓機(jī)軸振故障分析

該壓縮機(jī)從投產(chǎn)運(yùn)行至今從未進(jìn)行過大修，每年僅對(duì)該設(shè)備定期小保養(yǎng)，包括機(jī)油、機(jī)油濾芯和油霧濾芯更換，每半年對(duì)油質(zhì)進(jìn)行分析。

2022年7月的一次小保養(yǎng)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)該機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行后二級(jí)軸承振動(dòng)達(dá)到了90 μm，軸溫為116 ℃（系統(tǒng)設(shè)定的振動(dòng)報(bào)警值為61 μm，溫度報(bào)警值115 ℃，跳車振動(dòng)為96 μm），該振動(dòng)對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行影響較大，稍有不慎就會(huì)跳車，影響整套制氧機(jī)組的運(yùn)行，造成重大設(shè)備事故。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析初步判斷為更換機(jī)油濾芯時(shí)濾芯被污染，有雜質(zhì)進(jìn)入軸瓦內(nèi)部，破壞了油膜的形成，導(dǎo)致潤(rùn)滑不良，溫度升高，影響軸振。

檢修人員隨即將原有精度為10 μm的濾芯更換為5 μm 的濾芯，重新進(jìn)行啟動(dòng)，運(yùn)行2 h 之后溫度、振動(dòng)慢慢提升至報(bào)警值，決定停機(jī)檢查。

4 空壓機(jī)軸振故障處理

檢修人員對(duì)齒輪箱內(nèi)部?jī)x表器件、氣封、油封及軸承進(jìn)行拆解。此設(shè)備所有軸承都為止推軸承，軸瓦及止推面材料均為巴氏合金，軸承座內(nèi)有注油孔，當(dāng)設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可通過注油孔給軸瓦潤(rùn)滑，在軸瓦表面形成油膜，使其具有良好的潤(rùn)滑性能。但該油膜一旦遭到破壞，就會(huì)出現(xiàn)軸承溫度升高，合金燒毀甚至剝落的情況。本次檢查發(fā)現(xiàn)二級(jí)軸承軸瓦上存在大量明顯的漆膜，并伴有明顯劃痕（見圖1），說明該軸承在長(zhǎng)期運(yùn)行中油質(zhì)發(fā)生變化且油中含有雜質(zhì)未過濾，導(dǎo)致潤(rùn)滑不良、軸承溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致軸振偏高。保險(xiǎn)起見對(duì)其進(jìn)行備件更換，其它積碳不嚴(yán)重的軸承用專用化學(xué)試劑進(jìn)行清理，清洗完后按標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行回裝。

圖1 軸瓦存在漆膜并伴有劃痕

4.1 測(cè)量各級(jí)軸的竄動(dòng)量

安裝軸承之前用杠桿對(duì)該壓縮機(jī)各級(jí)軸進(jìn)行竄動(dòng)量的測(cè)量，在杠桿兩端包上白棉布，防止撬動(dòng)過程中損壞級(jí)間齒輪。

測(cè)得竄動(dòng)量：

大齒輪軸：0.04 mm；

頂部齒輪軸：0.25 mm，齒隙：0.46 mm；

低速齒輪軸：0.28 mm，齒隙：0.40 mm；

高速齒輪軸：0.25 mm，齒隙：0.52 mm。

4.2 測(cè)量各級(jí)軸承間隙

4.2.1 徑向間隙

先將下軸瓦安裝到位，在軸的上表面找3個(gè)點(diǎn)，涂上適量黃油，粘上一段長(zhǎng)20 mm，直徑1.00 mm的保險(xiǎn)鉛絲。將上軸瓦蓋上，并用軸承螺栓連接，松開后測(cè)量保險(xiǎn)絲厚度即為該軸承的徑向間隙。測(cè)得徑向間隙如下：

一級(jí)軸承：0.17～0.27 mm；

二級(jí)軸承：0.18～0.25 mm；

三級(jí)軸承：0.24～0.28 mm。

4.2.2 軸向間隙

放入軸承后，用杠桿撬動(dòng)軸承一端，另一端用千分表測(cè)量，撬動(dòng)后所得數(shù)據(jù)即為該軸承的軸向間隙。測(cè)得軸向間隙如下：

一級(jí)軸承：0.55 mm；

二級(jí)軸承：0.72 mm；

三級(jí)軸承：0.59 mm。

4.3 軸承及密封回裝

以上所有間隙數(shù)據(jù)都符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在征得廠家同意后開始安裝軸承。首先在要安裝軸承的軸表面倒上少量潤(rùn)滑油，使軸承能自由徑向滑動(dòng)，然后將軸承安裝就位，每個(gè)軸承都有專門的定位銷，認(rèn)準(zhǔn)定位銷的位置后，使用專用螺絲進(jìn)行連接。

密封安裝時(shí)必須先安裝油封再安裝氣封，由于密封都為鋁質(zhì)材料，安裝時(shí)應(yīng)安裝到位，如遇到卡死的情況，必須使用木質(zhì)榔頭將其敲下后重新安裝。密封外側(cè)的O型圈要壓到位。

軸承更換結(jié)束恢復(fù)運(yùn)行后，二級(jí)軸振、軸溫恢復(fù)至正常區(qū)間，其他數(shù)據(jù)正常，該設(shè)備修復(fù)成功。

5 持續(xù)改進(jìn)措施

5.1 更換潤(rùn)滑油

結(jié)合軸瓦上存在的大量漆膜和劃痕現(xiàn)象以及濾芯內(nèi)部存在的膠狀物質(zhì)，判斷為設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不停機(jī)運(yùn)行后潤(rùn)滑油出現(xiàn)嚴(yán)重劣化傾向，故決定對(duì)空壓機(jī)的潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣檢測(cè)分析，潤(rùn)滑油為美孚特力索T46，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 潤(rùn)滑油檢測(cè)分析數(shù)據(jù)

由檢測(cè)報(bào)告可知，潤(rùn)滑油漆膜傾向指數(shù)偏高，表明油中具有較多極性小分子不溶物，易黏附在金屬表面形成漆膜。漆膜會(huì)導(dǎo)致摩擦副溫度升高，引起設(shè)備故障。污染度等級(jí)偏高，會(huì)影響系統(tǒng)工作的可靠性和有關(guān)部件的使用壽命。

因系統(tǒng)潤(rùn)滑油油質(zhì)劣化嚴(yán)重，按照潤(rùn)滑油特征，將潤(rùn)滑油更換為各項(xiàng)指標(biāo)更好的全合成機(jī)油美孚SHC 825 潤(rùn)滑油。同時(shí)調(diào)整潤(rùn)滑油的油溫和油壓，將空壓機(jī)潤(rùn)滑油油溫由46 ℃提高至48 ℃，油壓由263 kPa 增加至278 kPa。升高油溫，可降低油的黏度，同時(shí)提高油壓，可增加潤(rùn)滑油通過軸承的流速，減少瓦塊表面積碳附著的概率［1］。

5.2 漆膜凈油機(jī)在線過濾

空壓機(jī)在運(yùn)行過程中潤(rùn)滑油容易降解形成油泥，在一定的化學(xué)條件和溫度下，以溶解或懸浮狀態(tài)存在于油液中。當(dāng)油泥超過了潤(rùn)滑油的溶解程度時(shí)，油泥就會(huì)析出附著在軸瓦表面形成漆膜。漆膜主要附著在軸瓦的內(nèi)表面，影響軸承散熱，導(dǎo)致軸瓦溫度不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致軸承振動(dòng)異常。漆膜還會(huì)加速潤(rùn)滑油的劣化，降低油品壽命。

在油路系統(tǒng)中新增漆膜凈油過濾系統(tǒng)，結(jié)合靜電吸附凈化技術(shù)和離子樹脂交換技術(shù)，去除壓縮機(jī)在正常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的溶解性和非溶解性油泥［2］，預(yù)防漆膜的產(chǎn)生。

5.2.1 漆膜凈油機(jī)工作原理

（1）一次凈油

一次凈油采用靜電吸附法去除非溶解性漆膜。靜電吸附技術(shù)是油液在圓形高壓靜電場(chǎng)作用下，使污染顆粒物分別顯示正、負(fù)電性，并在梯形電場(chǎng)作用下推動(dòng)正、負(fù)電性顆粒物向正、負(fù)電極方向游動(dòng)，中性顆粒被帶電顆粒物推著移動(dòng)，最后所有顆粒物都吸附在收集器上，徹底清除油品中的污染物［3］。

（2）二次凈油

二次凈油采用的是離子交換樹脂吸附法去除溶解性膠質(zhì)物。離子樹脂的表面有很多微小孔洞，可以吸附不同的物質(zhì)，能有效去除油液中的油泥和漆膜。此技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)最大限度減少油泥，使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

5.2.2 凈油機(jī)的安裝方法及凈化流程

凈油機(jī)安裝在地面平整處，凈油口與壓縮機(jī)油箱底部相連，出油口連接至油箱頂部。油箱潤(rùn)滑油在主油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)下被吸入進(jìn)油過濾器進(jìn)行過濾，而后進(jìn)入靜電收集器進(jìn)行去除非溶解性漆膜，隨后在油壓作用下壓入離子樹脂交換器去除溶解性膠質(zhì)物，再通過出油管回入油箱形成一次凈油過程，循環(huán)往復(fù)，不斷凈化油質(zhì)，凈油流程見圖2。

圖2 漆膜凈油機(jī)凈油流程圖

5.3 在線檢測(cè)油液油質(zhì)

由于日常油質(zhì)化驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)于整個(gè)空分系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行是很大的隱患，因此，采用在線油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)空壓機(jī)油液污染度和油液中水分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在空壓機(jī)的進(jìn)油管路系統(tǒng)上安裝油污傳感器和水分傳感器，安裝示意圖見圖3。在空壓機(jī)進(jìn)油管路的管壁上鉆兩個(gè)通孔，分別將管1、管2 焊接在其上，油液流向見圖4。進(jìn)油管路中的油液在管1與進(jìn)油管路連接處分流，在管2 與進(jìn)油管路連接處合流，實(shí)現(xiàn)油液油質(zhì)在線監(jiān)測(cè)。通過在線監(jiān)測(cè)可根據(jù)油品的劣化程度采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，可減少漆膜傾向指數(shù)監(jiān)測(cè)周期，更好地掌握漆膜生成的趨勢(shì)。

圖3 安裝示意圖

圖4 油液流向圖

6 實(shí)施效果

經(jīng)過一系列的改善措施之后，潤(rùn)滑油的清潔度得到了明顯的提升，設(shè)備油質(zhì)污染得到了控制，漆膜傾向指數(shù)下降明顯，各類指標(biāo)趨于正常，具體數(shù)據(jù)見表2。設(shè)備運(yùn)行一年多，空壓機(jī)油路系統(tǒng)中的各部件故障率平穩(wěn)降低［4］，壓縮機(jī)一、二、三級(jí)軸振、軸溫保持平穩(wěn)、無異常。2023年12月空分機(jī)組停機(jī)保養(yǎng)，對(duì)齒輪箱再次解體檢查，軸承軸瓦光鮮亮麗、無積碳及漆膜痕跡。

表2 改善后潤(rùn)滑油樣檢測(cè)數(shù)據(jù)

7 結(jié)束語

針對(duì)制氧空分裝置空壓機(jī)軸振高的問題，通過更換空壓機(jī)漆膜和劃痕較嚴(yán)重的二級(jí)軸承軸瓦，雖使得設(shè)備二級(jí)軸端的振動(dòng)和溫度趨于平穩(wěn)，但仍然存在安全隱患。進(jìn)一步分析油樣檢測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)油液污染度和漆膜傾向指數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)，針對(duì)于這一情況，通過更換成全合成機(jī)油并調(diào)整油溫、油壓，更換精度更高的濾芯，加裝漆膜凈油機(jī)和在線油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等一系列措施，有效解決了壓縮機(jī)軸承軸瓦漆膜形成的問題，保障了壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。