螺桿壓縮機推力軸承改造探討

田立疆，曹兆強

(山東海化股份有限公司純堿廠，山東壽光 262737)

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螺桿壓縮機推力軸承改造探討

田立疆，曹兆強

(山東海化股份有限公司純堿廠，山東壽光 262737)

針對純堿生產中螺桿壓縮機在運行時存在的推力軸承溫度高的問題，結合檢修中遇到的推力軸承損壞狀況的分析，對推力軸承結構方面進行改造和探討。

螺桿壓縮機；推力軸承；潤滑；結構

螺桿壓縮機廣泛應用于純堿生產行業。其作用是把二氧化碳氣進行壓縮，達到一定的壓力后，送到碳化工序用作制堿所需要的下段氣、中段氣和清洗氣。其驅動機為汽輪機，額定轉速10 620 rpm，通過速比為1∶3.677的減速箱與壓縮機相連。該機組的特點是結構精密、轉速高、能力大。裝配和檢修時，對各部間隙配合要求高。運行過程中，對其軸承溫度控制要求嚴格。由于其內部結構為陰陽轉子相互嚙合，即使發生較小的軸向位移，也容易造成轉子碰撞，所以對推力軸承的要求特別高。若軸承溫度過高，運行狀況劣化，導致巴士合金剝落或者磨損，則必須停機檢修。因此，如何延長推力軸承的使用壽命，降低檢修頻次，成了生產管理和設備管理中的重要課題。

1 純堿廠螺桿壓縮機使用狀況概述

山東海化股份公司純堿廠新老系統共有螺桿壓縮機25臺，其中老線11臺(分別安裝于1989年、1996年和2008年)，新線14臺(分別安裝于2003年、2006年和2008年)。大部分機組使用時間較長，效率下降。其主要部件材質為ZG1Cr13和ZG2Cr13。由于其輸送介質為潮濕的二氧化碳氣體，有弱酸性，對設備的腐蝕性較強，長期使用導致陰陽轉子型面、陰陽轉子前端面和缸體前端面腐蝕嚴重，轉子嚙合間隙和前端面間隙過大，其所受的軸向推力大大增加，推力軸承的負荷遠遠大于正常情況。由于推力軸承溫度過高，導致大部分機組難以達到額定轉速，甚至部分機組轉速在額定轉速80%的情況下維持運行，效率大大下降，能耗高，制約生產。由于設備效率低，必須將備用機組也投入運行才能滿足生產需要。一旦設備出現故障需要檢修，往往需要搶修，檢修質量難保證、部分檢修項目容易被疏忽，形成惡性循環。

如要徹底改變這種狀況，需要對轉子型面、前端面及缸體返廠維修。但是，目前國內對螺桿壓縮機轉子型面修復尚無成熟的技術，而缸體的維修不僅拆裝工作量大，而且修復周期長、費用高。所以，對設備進行全面的大修可能性較小。這樣，如何在現有的條件下，通過改善潤滑降溫條件和從軸承結構方面做一些改善以達到降低推力軸承溫度，從而提高壓縮機的轉速以保證其運行效率，必然成為壓縮工序需要長期面對的重要課題。

2 改善外部條件

要從改善外部條件來采取措施，最重要的是潤滑。近幾年，圍繞改善機組的潤滑條件，我們做了以下工作：

1)把油品改為46#抗氧防銹汽輪機油，提高了油品的抗氧、防銹、抗乳化、抗泡、防銹等性能。

2)集團公司增設油品檢測機構和設備，定期對機組潤滑油品取樣檢測，保證各項指標在合格范圍內，發現超標采取措施或者更換。

3)嚴格控制潤滑油過濾器前后壓差，發現接近上限，立即清洗或更換過濾裝置。

4)增加冷油器換熱面積，降低潤滑油溫度。

3 改變推力軸承內部供油模式

通過采取上述措施，對改善壓縮機的運行狀況起了一定的積極作用。但是頻繁更換油品必然造成費用增加，所以更換頻次要合理，以保證利益最大化。而降溫的問題則突出表現在夏季，這是機組效率最低的季節，但是受循環水溫度的影響，相對降溫困難。因此，我們還考慮了在改變推力軸承內部供油模式上下功夫。

螺桿壓縮機的推力軸承屬于斜平面滑動止推軸承。軸承體為鑄銅，背面為球面，與軸承座經過研磨后，可以保證在運行時自動調整到一個較好的受力位置。軸承與推力盤的接觸面澆筑一層巴士合金，厚度大約4～6 mm。在巴士合金上面加工出供油槽、泄油口和油楔面，如圖中1所示。軸承供油方式為油泵強制供油。潤滑油從供油槽進入軸承，供油槽內的潤滑油隨高速運轉的推力盤進入油楔，由于油楔內的空間越來越小，使得內部形成較高的壓力，在整個運行的軸承面上形成油膜。潤滑油經過軸承面之后，進入下一個供油槽，從泄油口排出。在軸承四周均布四個測溫點，以便更全面的了解軸承的溫度分布情況，從而更好的分析軸承受力及損傷情況。

圖1 軸承接觸面結構

3.1 推力軸承溫度高的原因

在檢修過程中我們發現，單純從軸承方面來看，造成推力軸承溫度高的原因主要是以下幾個方面：

3.1.1 疲勞裂紋和剝落

經過長時間的運轉之后，在反復載荷的作用下，巴士合金表面開始出現疲勞裂紋，裂紋向巴士合金深處擴展，達到巴士合金與背層銅金屬的結合面，橫向擴展，最終造成巴士合金從銅金屬上剝落。軸瓦損傷。這種狀況一般是在長時間軸承溫度較高之后發生。

3.1.2 刮傷

由于過濾效果差，潤滑油內混入細微顆粒，軸承表面出現線狀傷痕。這種損傷對軸承的危害較小。

3.1.3 巴士合金局部發亮

這種情況一般是由于軸承刮研或者研磨軸承背面球面時沒有刮研好，導致局部受力過大，巴士合金表面變硬。

3.1.4 磨損

軸承表面巴士合金出現較大面積磨損，磨損下來的巴氏合金碎屑由于沒有被及時帶走，進入下一個供油槽，堆積在下一個油楔中，阻止了潤滑油的進入，最終導致整個軸承潤滑狀況極度惡化，軸承溫度超標。

3.2 推力軸承溫度高的檢修措施

在長時間的運行和維修過程中，我們對以上四種情況也做了一些分析。

3.2.1 疲勞裂紋和剝落

如果是小面積的裂紋或者剝落，運行中表現為個別測溫點溫度較高。由于推力盤表面經過較好的熱處理，表面硬度較高，不容易磨損。而推力軸承表面大面積的的巴士合金是完好的。這種情況不會對陰陽轉子的嚙合間隙造成大的變化，一般可以維持運行。若出現較大面積的剝落，表現為多個測溫點溫度較高甚至出現報警等情況，需要停機檢修。檢修時推力軸承必須更換。

3.2.2 刮傷

局部的刮傷對軸承溫度影響不大，檢修時推力盤也沒有嚴重磨損，一般情況下軸承經過刮研、調整間隙之后可以繼續使用。較大面積的刮傷有可能造成第4種情況出現，必須檢修。

3.2.3 巴士合金局部發亮

巴士合金局部發亮，在運行中表現為單個測溫點溫度較高，一般不會超標準。檢修時推力盤不會出現較嚴重磨損。這種情況檢修時推力軸承一般可以經過刮研、調整間隙后繼續使用。

3.2.4 磨損

若出現第4種情況，運行中表現為大部分甚至全部測溫點溫度高、甚至超標準，必須停機檢修。這種情況危害較大，在檢修中我們也進行了多方面檢測和分析。

如果出現這種狀況后及時停機檢修，復測推力軸承間隙時，變化一般在0.1 mm之內。這說明巴士合金并沒有被大量磨損掉，推力軸承間隙沒有很大變化，那么陰陽轉子嚙合間隙的變化也不大(正常的新機組陰陽轉子嚙合間隙要求0.2～0.3 mm，長時間運行后，由于轉子表面腐蝕磨損，一般情況下陰陽轉子嚙合間隙大于0.3 mm)。但是由于油楔內堆積了大量巴氏合金碎屑，破壞了油膜的形成，若長時間運行，必然會導致推力軸承磨損嚴重，進而影響到嚙合間隙，陰陽轉子碰撞，釀成事故。

潤滑油進入軸承，主要的作用有三個：一是在摩擦副之間形成油膜，降低摩擦系數，起潤滑作用；二是帶走摩擦產生的熱量，起降溫作用；三是帶走摩擦產生的金屬碎屑，起清潔作用。造成上述第4中情況的重要原因，就是摩擦產生的金屬碎屑沒有被及時帶走，堆積在下一個油楔中影響進油，加劇下一個扇形受力面的摩擦，從而形成惡性循環。為了改變這一狀況，我們在檢修中，嘗試著對壓縮機的推力軸承進行了小的改動。

3.3 推力軸承進、回油分開

由于推力盤旋轉速度非常快，平均線速度大約在38 m/s左右，潤滑油在經過扇形推力面之后，夾帶著微量金屬碎屑和摩擦產生的熱量進入下一個供油槽。這樣導致金屬碎屑很難被帶走，高溫的熱油也有很大一部分混入溫度較低的新油中進入下一個油楔。如圖1中所示，我們在推力軸承扇形受力面的末端與下一個供油槽之間，加工出一條回油槽。通過調整扇形受力面、油楔及供油槽的尺寸，盡量做到對整個推力軸承受力部分和油楔部分的尺寸不造成大的影響。

做這樣的改動，主要是為了做到推力軸承的進、回油分開，從兩方面加強潤滑油所起的作用：

3.3.1 有利于金屬碎屑沖走

由于回油槽截面呈長方形，不像油楔那樣容易存積金屬碎屑，這就保證了摩擦產生的金屬碎屑能夠被及時沖走，從理論上來說，有望延長推力軸承的使用壽命，降低檢修頻次。

3.3.2 有利于熱量的帶走

回油槽的起始端與軸承內側的進油通道相連，末端也設有楔形回油槽，這樣既保證了受力面末端的油壓，又能讓熱油及時流出。進入軸承的冷油溫度一般在40 ℃左右(冬季35～40 ℃，夏季40～45 ℃)。壓縮機推力軸承溫度指標為≥85 ℃報警、≥90 ℃停機，若正常運行時按照75～80 ℃考慮，油膜內潤滑油的溫度大致也在75 ℃左右。這部分潤滑油雖然量少，但是混入下一個供油槽中，對降低油溫是不利的。實現進、回油分開，將有利于熱量的帶走，從而對降低軸承溫度有好的影響。

考慮到經過改造后，推力軸承的潤滑油需求量有可能增大，為了保證推力軸承潤滑油供給，我們對油分配器油壓調節閥進行了調節，以保證進入推力軸承潤滑油的壓力和流量。

4 效果及下一步的打算

從2014年8月份開始，我們在檢修中，逐步對壓縮機的推力軸承進行上述改造試驗。從檢修后運行情況看，對降低推力軸承溫度有較好的效果。至于是否能延長推力軸承的使用壽命，還有待長時間運行后方可驗證。

其實，如果對壓縮機推力軸承溫度還有更高的要求，還可以考慮選擇可傾瓦塊式推力軸承。由于可傾瓦塊式推力軸承結構方面的優勢和更大的潤滑油流量、更大的換熱面積，對降低推力軸承溫度有更好的效果。而且，可傾瓦塊式推力軸承由于在反轉時也能對摩擦副提供潤滑油，其抗反轉能力非常強。不過可傾瓦塊式推力軸承造價相對較高，而且使用可傾瓦塊式推力軸承需要在軸承座等方面做較大的改動。考慮到螺桿式壓縮機陰陽轉子嚙合間隙較小，相對于離心式壓縮機來說，對轉子的軸向位移變化比較敏感，要求較高。由于可傾瓦塊式推力軸承在巴士合金有一定磨損的情況下，軸承溫度表現仍不很敏感，所以如果采用可傾瓦塊式推力軸承，最好加裝軸位移檢測裝置，以便對轉子嚙合間隙變化有較準確的分析和判斷。關于這些，這在今后的使用過程中，可以做進一步的探討。

TQ114.15

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1005-8370(2016)05-23-03

2014-11-28