蒸汽透平循環水泵高速齒失效原因分析

成德平

(中國石化上海石油化工股份有限公司精細化工部,上海200540)

蒸汽透平循環水泵高速齒失效原因分析

成德平

(中國石化上海石油化工股份有限公司精細化工部,上海200540)

烯烴裝置新增的循環水泵為單級雙吸離心泵，投用以來減速箱中齒輪副多次齒面損壞，造成設備運行振動大。對減速箱中齒輪副齒面損壞原因進行分析，認為是齒輪副軸瓦有效接觸面積小、齒輪副潤滑狀況不理想等原因造成的，并提出了相應的改進措施。

齒輪軸 失效 物化檢驗 改進措施

在烯烴裝置蒸汽管網運行中，一般都會在循環水場設置蒸汽透平循環水泵。以中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)3#烯烴裝置為例，裝備了蒸汽透平循環水泵的汽輪機，轉速為5 800 r/min，水泵轉速為729.2 r/min，傳遞功率為2 050 kW，中間采用速比為7.953 6的漸開線人字齒傳動齒輪箱。該裝備運行中曾因振動過大而導致強迫停機，更換了新的一級軸齒輪(高速軸)后僅僅運行了3個月，又發生了齒輪磨損現象。為此，對失效齒輪進行了物化檢驗，并采取了相應的改進措施。

1 給水系統與設備運行

1.1 循環水給水系統

3#烯烴裝置2#循環水場現有冷卻塔8臺，每臺設計能力為4 000 m3/h，最大能力為4 400 m3/h，循環水場總水量為32 000 m3/h，最大處理總水量為35 200 m3/h。2#循環水場現有循環水泵4臺，單泵能力8 800 m3/h，揚程60 m，其中UGA3101A泵為蒸汽驅動，進汽壓力為4.2 MPa，出口汽壓力為0.35 MPa，蒸汽量為24 t/h，其余3臺為電動驅動。經過改擴建，冷卻塔能力提高了8 000 m3/h，但循環水場的供水能力未能同步擴建，造成循環水場無備泵的狀況，故考慮增設一臺蒸汽驅動循環水泵。

1.2 設備運行狀況

1.2.1 設備簡介

機組為上海工業泵制造有限公司制造的中開式離心泵,汽輪機由湖南湘東化工機械有限公司制造的背壓式汽輪機。

UGA3101E機組設備參數見表1。

表1 UGA3101E機組參數

1.2.2 設備損壞狀況

在設備運行初期，機組曾因振動過大而導致強迫停機。在更換新的一級軸齒輪(高速軸)后，運行3個月又發生了齒輪磨損現象，因此需要對失效齒輪進行解剖分析。

該齒輪軸材料為20CrNi2Mo，經滲碳淬火，硬度(HRC)為57～58，一級軸齒輪人字齒模數為4，齒數為33，壓力角20°，螺旋角26°45′56"。

對失效齒輪分析可知，破壞齒為人字齒，該齒輪遠離汽輪機的一側，而靠近汽輪機側則完好無損。主破壞區(見圖1)嚴重磨損，共計11齒；破壞區在齒寬中心區域占80%～90%，為典型的齒面剝落，在節圓上下形成深度為0.3～0.5 mm的“波浪狀”。此外，由于失效前振動加大明顯，齒輪副嚙合區上移，其非工作面產生了干涉接觸留下了的8 mm接觸痕，最外端(距端面6～8 mm)留下了大齒輪的較深壓痕，說明非驅動端振動較大或者軸心位置發生偏離。

圖1 高速軸近齒輪箱側齒面損壞情況

運行3個月時，汽輪機在線清垢后，在開機過程中發現齒輪箱高速齒部位有較大噪音，停機檢查發現高速齒近汽輪機側損壞二齒(見圖2)，是兩個孤立區，有明顯的剝落痕跡，兩齒面分別開裂而掉塊，遠離汽輪機側的另一側齒面完好，未見異常。

圖2 高速齒近汽輪機側齒面損壞情況

2 物化檢驗

2.1 化學成分

在破壞區附近橫截面半徑2/3處(距表面半徑1/3)軸向取樣，在酸洗試樣上做光譜試驗，結果見表2。

表2 光譜分析元素數據

其中碳的變異因子高是原子量低光譜難測的結果，硫和釩的質量分數偏小，自然變異因子(反映測量誤差)大，其余為1%～2%，已相當精確，總體評價符合該軸成分標準。

2.2 力學性能

取樣部位為齒本體軸，位于2/3半徑處，檢驗其常規力學性能(見表3)。殘余屈服強度總體評價，其材質均勻，強度、塑性均滿足要求，且是結構鋼做軸使用的良好范圍。

表3 齒輪軸本體材料分析

2.3 金相組織

在壞齒附近軸向30 mm的地方切φ100 mm×10 mm的試樣一片，做酸洗試驗(并在2/3半徑處取φ20 mm做光譜試樣)，以核實金相檢驗夾雜物時的偏小視野，局部孤立結果比較差(參照GB/T 1979—2001.結構鋼低倍組織缺陷評級圖)。整個剖面細密均勻，未發現偏析及宏觀夾雜物，且硬度(HRC)為35，證明金相的D類0.5級夾雜物評級可信真實，評級結果見表4。

表4 各樣品數據比較

從表4中可看出：壞區壞齒碳化物級別已經達到5級，而壞區的好齒馬氏體、奧氏體也已評為5級(依據GB/T 10561—2005.鋼中非金屬夾雜物含量測定——標準評級圖顯微檢查法)。

按JB/T 6141.3—1992標準，4級以下為合格，5級為商榷交貨級別。因均在壞齒側，不管在工作面和非工作面都出現了過熱退火過程，碳化物及馬氏體“長大”是可能的。金相組織發現了齒面產生了極薄(約0.05 mm)表層的不規則二次淬火組織，同時發現幾個0.05 mm×0.01 mm齒面的退火區。

所以認為兩個5級評定極大可能是“熱過程”造成的，而壞齒側完整齒的金相組織是很好的，這一點被證實了。為進一步證實以上推論，在齒輪軸的好齒側又取了金相和硬度試樣，檢驗結果見表5。

表5 未損壞齒輪軸取樣分析數據

總體而言，金相組織說明齒輪滲碳淬火后，該組織是合格的。

2.4 硬度檢驗

硬度檢驗分兩部分：齒表面硬度和齒剖面節圓處硬度梯度。齒面試樣沿齒面平行切出，厚度4～5 mm，長40 mm，做洛氏和維氏硬度檢驗(依據GB/T 4340.1—2009.維氏硬度試驗——第1部分：試驗方法和GB/T 230.1—2009.洛氏硬度試驗——第1部分：試驗方法)，實驗結果見表6。

表6 壞區齒比較分析數據

硬度檢驗結果說明齒面硬度有明顯的下降，證明存在有退火過程，這和金相檢驗結果一致。硬度梯度檢驗結果見圖3。

圖3 硬度梯度檢驗數據

從圖3中可以看出：

(1)硬度高點處于齒表面下0.5～0.6 mm處，而齒面及心部位置硬度均處于低位。

(2)不管好齒、壞齒圖形完全相似。

由以上兩點可以表明：壞齒、好齒經歷了同樣的退火過程，只是程度有略微不同。

3 分析與改進

3.1 原因分析

3.1.1 材料本質方面

失效時因經歷退火過程，硬度大幅下降。測到最高硬度(HRC)在齒表面下約0.5 mm，為46左右，而表面硬度(HRC)只有31～35。齒面破壞經歷過點蝕、剝落及大面積剝落，直到大齒輪和磨粒對小齒輪面產生刮削過程。正是齒面潤滑、冷卻能力下降，齒面溫度上升，退火，以致加速磨損的惡性循環，供油不暢或供油量不足是其直接原因。

一次故障時損壞的齒成棗核狀溝，以節圓半徑作剖面，從齒頂看成波浪狀，溝的方向和嚙合齒旋大體一致，為典型的磨粒磨損，很難找到初始點蝕和孤立剝落的痕跡；二次故障時出現的兩個孤立破壞齒可見到早期剝落痕跡，如果未及時發現異常，二次故障發展的趨勢將和一次故障相同，出現多齒面磨損的結果。由于事故末期，磨粒粘附在齒面，進入嚙合面，又因齒輪軸轉速高，間隙時間短，每次接觸后迅速又進入嚙合，熱負荷明顯上升，相對而言潤滑和冷卻效果不佳，引起齒面表層溫升。正常工作時齒的平均溫度估計接近80 ℃，只要快速上升到200 ℃就足以使表面硬度開始下降，恰恰在這接觸瞬間很容易達到。隨著磨損漸漸變大，振動也跟著變大，積累到一定程度出現大面積的破壞，最終導致振動超標而停機。

3.1.2 其他因素分析

齒輪箱地腳螺栓的預緊力發生變化，重新分配。機組汽輪機和齒輪箱是由廠家組裝好后，再到裝置現場整體安裝的，試車前只對汽輪機和齒輪箱的中心進行了復核，未對齒輪箱各對齒輪的嚙合接觸面進行檢查。實際運行時，地腳螺栓預緊力發生轉移，使得各對齒輪的嚙合精度不斷發生變化，位置難以保證，工作狀態(熱態)時中心位置偏離允許范圍，從而直接導致齒輪嚙合精度的下降，加劇了熱負荷的上升。

3.2 改進措施

(1)一次檢修時，在更換高速齒輪軸后，對高速軸遠離汽輪機側的工作面接觸面積進行了檢查和調整。發現在齒輪箱不做任何調整的情況下，齒輪副接觸面積只達到60%左右，不符合要求，于是對A柱地腳螺栓加了厚0.40 mm的墊片(見圖4)，重新檢查接觸面嚙合情況，使其符合要求。此次檢修未對其余齒輪副的嚙合情況進行檢查和整合，遂留下了隱患。

圖4 支撐腳的位置

(2)二次檢修時，對損壞的齒輪組件進行全部更換，并將齒輪箱的6個地腳螺栓全部松開，使得齒輪箱處于自由狀態，松開后發現AB側和EF側箱體上浮，由此推斷地腳螺栓的預緊力發生了變化，與設備安裝初期不符。通過調整A柱和E柱地腳螺栓，并分別加了厚度為0.40 mm的墊片，調整后復核齒輪副接觸面，接觸面積幾乎達到100%。

(3)二次檢修時，更換噴油管，增加潤滑冷卻能力，加大噴油量及提高油壓。

(4)分別對機組的冷態和熱態中心進行復校核實,機組在冷態時與熱態數據存在一定偏差,主要是受產材料的熱膨脹影響差,造成汽輪機轉子中心與廠家提供的數據有偏差。通過熱態復校后調整汽輪機與減速機的實際參數,以保證機組在良好的中心狀態下運行,減少汽輪機軸對減速機中心偏差的影響,改善機組運行狀況。

(5)同時對汽輪機熱態和冷態的軸間距進行復核,復校后按照實際的數據，通過調整聯軸器的軸間墊片和減速機的位置有效調整軸間距，避免汽輪機高速運行后受高壓蒸汽向低壓蒸汽流動影響。汽輪機軸向減速機方向竄動，造成汽輪機軸與減速機軸“頂死現象”，而使機組運行振動加劇，影響機組運行周期。

4 結語

(1)物化檢驗表明，鍛件成分合格，力學性能滿足要求，金相組織達到標準。但是齒面硬度下降，表層組織局部有二次淬火，表明齒面表層有溫升及退火過程。

(2)原因分析以為油的潤滑及冷卻能力不足，熱負荷加大，齒面磨損加快，導致振動加大，造成被迫停機。二次安裝后地腳螺栓預緊力重新分配，也會導致嚙合精度下降，造成熱負荷上升。

(3)新設備安裝后，投用前需要對水平度、中心等數據進行復核，防止安裝后基礎出現偏差導致故障。

通過改善齒輪副的嚙合面積，提高齒輪副的強度，通過試驗掌握國產轉子的熱膨脹量，調整冷態中心數據，熱態復校中心，提高轉子與齒輪箱的中心精度，改善設備運行振動，通過上述各環節的有效改進，提高了設備運行平穩，振動也符合GB/T-6075振動標準，設備至今未出現故障。

Analysis on Failure Cause of the High-speed Gear of Steam Turbine Circulating Water Pump

Cheng Deping

(FineChemicalDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The new circulating pump in olefin plant is the single-stage double-suction centrifugal pump.Since it is launched in use,the tooth surface of gear pair in the reduction gearbox was damaged for several times,which caused large vibration of equipment.According to analysis,the causes for damage of tooth surface of gear pair in the gearbox is considered to be the small effective contact area of the bearing pad and the poor lubrication condition of the gear pair.The corresponding improvement measures are put forward.

gear shaft,failure,physical and chemical testing,improvement measures

2017-04-06。

成德平，男，1962年出生，1983年畢業于上海石油化工中等專科學校基本有機合成專業。1983—2014年在中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部機械設備管理崗位工作，2014年2月后到精細化工部從事現場設備運行管理工作。

1674-1099 (2017)03-0035-04

TH38

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