淺談合成氣壓縮機推力軸承溫度高原因及改善對策

張博強，董元亮，趙曉陽，孫德超，欒朔

（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 案例故障情況介紹

某煤化工企業(yè)甲醇合成單元，合成氣壓縮機為垂直剖分機型2BCL456，由汽輪機驅(qū)動，工作轉(zhuǎn)速為9700r/min。機組滿負荷運行時，推力軸承溫度達到110℃，短暫檢修期間將軸承區(qū)拆檢。發(fā)現(xiàn)推力軸承為金斯伯雷止推軸承，主推力6 塊瓦面均存在嚴重積碳現(xiàn)象。用1000#細砂紙打磨后，露出巴氏合金層，經(jīng)檢查無損傷痕跡。檢查瓦塊厚度，偏差在0.01mm 以內(nèi)。復(fù)測推力間隙0.28mm。

回裝軸承后，機組投產(chǎn)運行，歷時3 個月，推力瓦溫從95℃上升至108℃。之后合成車間利用停產(chǎn)大修機會，對機組進行了全方位檢查。主推力軸承積碳嚴重，清理后發(fā)現(xiàn)巴氏合金面點蝕，巴氏合金邊緣有輕微脫胎現(xiàn)象。機組抽芯打開隔板束后檢查了各個口圈密封、級間密封的間隙值以及平衡盤密封的間隙值。發(fā)現(xiàn)只有平衡盤密封間隙超差，比設(shè)計數(shù)據(jù)的上限值大了0.15mm。

2 故障原因分析

2.1 推力間隙小

雖然推力間隙在設(shè)計范圍內(nèi)，但是靠近下限值，如果將推力間隙放大至上限值附近，對推力瓦溫的降低會有一定幫助。

2.2 潤滑油接近變質(zhì)

隨著機組長期運行，潤滑油的指標(biāo)需要每3 個月取樣分析檢驗。如對比近兩次的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)黏度、水分等指標(biāo)略有變化，就需要警惕潤滑油可能正在乳化變質(zhì)。在軸瓦間隙較大的地方，瓦溫上升并不明顯，但間隙較小的地方，瓦溫上升趨勢會比較明顯，因為更小的間隙意味著更薄的油膜，也就意味著更多的摩擦產(chǎn)生的熱量無法被帶走，抗氧化性能變差的潤滑油在高溫下容易析出一種類似于漆膜的膠著物質(zhì)附著在瓦面，長此以往，會加劇軸承溫度的上升，瓦溫越是升高，瓦面的積碳現(xiàn)象也隨之加重，從而形成惡性循環(huán)。

2.3 推力盤的光潔度被破壞

隨著機組長期運行，已經(jīng)不再是設(shè)備剛出廠時的狀態(tài)了。經(jīng)歷了施工期間的油循環(huán)及多次拆檢回裝，難以保證沒有硬質(zhì)顆粒殘留。啟動及停機過程中推力盤與瓦面之間的油膜剛性不強，推力盤很容易被刮傷，從而破壞表面的光潔度。瓦面與推力盤的接觸面積也是一個很重要的因素，使瓦面的接觸面積達到80%左右，會對軸承的運行溫度起到很好的控制。

2.4 推力軸承的供油量不夠，回油不夠通暢

較小的供油量無法滿足軸承潤滑要求，不通暢的回油無法良好地帶走軸承的熱量，這也會引起軸承溫度過高。例如甩油環(huán)的安裝方向如果錯了，那么推力盤與推力軸瓦之間的潤滑油就不會隨著推力盤的旋轉(zhuǎn)從甩油環(huán)的出油孔順利排出。這也是導(dǎo)致推力瓦溫度高的一個常見原因。

2.5 軸向力過大，導(dǎo)致主推瓦溫度高

這也是最重要的一個因素。影響機組軸向力的原因有以下幾方面。

（1）合成氣壓縮機的介質(zhì)組分比例不穩(wěn)定，或者合成催化劑失效。以上兩種原因都會使壓縮機的流量及排氣壓力產(chǎn)生變化，軸向力也會隨著工況的變化而變化。如果壓縮機流量經(jīng)常波動，出口壓力過高，甚至多次發(fā)生喘振，瞬間的軸向力變化會影響瓦塊表面合金的強度。久而久之，瓦面合金層變薄，溫度升高，龜裂脫落，造成推力盤加工面損傷，形成燒瓦事故。

（2）口圈密封的間隙值過大。從葉輪甩出經(jīng)擴壓器增壓后的氣體從口圈密封流回本級葉輪入口，輪蓋側(cè)受的壓力變小，導(dǎo)致軸向力變大。

（3）平衡盤密封間隙變大。被平衡盤及密封隔離開的高低壓腔體壓差變小，平衡盤平衡軸向力的效果變差，此時主推力軸承就會承擔(dān)更多的軸向力，主推力瓦溫就會上升。

（4）平衡氣管過細或堵塞。通過平衡盤密封泄漏到低壓腔的高壓氣體無法順暢抵達壓縮機入口，平衡盤兩側(cè)壓差變小，軸向力變大。

（5）平衡盤尺寸設(shè)計的不合適。平衡盤的大小直接影響著平衡軸向力的多少，公式計算可以抵消的軸向力與實際值存在偏差，如果誤差過大，推力軸承承載的軸向力就會有很大偏差，相應(yīng)的，推力軸瓦溫度也會升高。

（6）停機方法不當(dāng)。如果一臺機組每次都是以緊急拍停的方式停機，而不是將載荷卸掉，緩慢降速停機，那么停機瞬間的背壓過高，軸向力會瞬間變大，這樣的突變載荷對推力軸承與推力盤都是很大的損害。久而久之，問題顯現(xiàn)出來，軸承壽命縮短，運行溫度偏高。

（7）機組定位時軸頭距或聯(lián)軸器法蘭面距離預(yù)留不準。定位上述尺寸時，如果聯(lián)軸器預(yù)拉伸量預(yù)留過小，熱態(tài)轉(zhuǎn)子軸向膨脹后，聯(lián)軸器會被壓縮，轉(zhuǎn)子會受到一個反作用力，如果這個力與軸向力同向，此時，壓縮機軸向力會疊加變大，推力軸承溫度也會升高。

3 改善措施

3.1 配磨推力軸承調(diào)整墊

將推力間隙放大到靠近設(shè)計上限值。單位時間通過瓦面的潤滑油量變大，油膜更厚，帶走的熱量更多，這對降低軸承溫度有一定幫助。案例中的機組在更換新瓦塊后進行了推力間隙的檢測，并通過配磨推力調(diào)整墊將推力間隙放大至0.31mm，接近上限0.35mm。

3.2 潤滑油品質(zhì)檢測的時間間隔適當(dāng)縮短，并統(tǒng)一留底對比

爭取從細節(jié)處歸納總結(jié)出油品的持續(xù)變化情況。嚴格把控油品這道關(guān)，必要時可以在停產(chǎn)大修的時候更換潤滑油。

3.3 軸承區(qū)拆解檢查時，注意查看推力盤光潔度

推力盤是否存在凹凸點，如果存在問題，一定要找壓縮機制造廠家維修或定制新的推力盤更換，不可以自行加工。案例機組的推力盤有0.02mm 深、1mm 寬的環(huán)狀痕跡。為了消除隱患，大修期間，用戶將轉(zhuǎn)子返廠更換了新的推力盤并經(jīng)行了高速動平衡。

3.4 軸承區(qū)供油壓力調(diào)整到合適范圍

壓縮機制造廠給的設(shè)計范圍是0.03～0.13MPa（G），可以將供油壓力調(diào)整至0.10MPa（G），看效果適當(dāng)增加 至0.13MPa（G），這樣做是為了讓潤滑油盡可能多的將軸承熱量帶走。由于推力軸承區(qū)分主、副兩個軸承，所以需要的潤滑油量比較大。具體壓力可以結(jié)合著軸承區(qū)排煙情況和瓦溫綜合調(diào)整。

3.5 將推力盤外緣的甩油環(huán)出油孔直徑放大

此舉為了增大推力軸承區(qū)潤滑油的排出量，將軸承的熱量更多地帶走。需要注意的是，擴孔后的直徑不宜過大，最好與壓縮機制造廠溝通后確定擴孔直徑，以防排油量過大導(dǎo)致進油壓力降低，更有甚者會導(dǎo)致回油管油量過滿，反而回油不暢。

3.6 更換各級密封

更換各級葉輪的口圈密封、級間密封、平衡盤密封，將間隙配磨至設(shè)計范圍內(nèi)，盡量靠近下限值。適當(dāng)?shù)拈g隙能夠控制氣體泄漏量，從而建立良好的軸向力平衡機制。

3.7 檢查平衡管是否堵塞

疏通清理平衡管以確保良好的通流直徑。也可請壓縮機制造廠給出一個直徑更大的平衡氣管選型。以避免高壓氣體無法順暢返回入口低壓側(cè)。

3.8 更換大直徑平衡盤

為了更多地平衡軸向力，請壓縮機制造廠根據(jù)投產(chǎn)運行的軸系、氣路畫面重新核算實際軸向力，對比平衡盤的平衡能力，找到設(shè)計與實際的差距，必要時對平衡盤直徑的計算加以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)，有機組在實際應(yīng)用中平衡盤直徑加大了12mm，轉(zhuǎn)子軸向力降低了40%。

3.9 調(diào)整聯(lián)軸器預(yù)拉伸量

綜合考慮轉(zhuǎn)定子膨脹量，盡可能準確地定位聯(lián)軸器的預(yù)拉伸量，以避免熱態(tài)下聯(lián)軸器對轉(zhuǎn)子的軸向反作用力。

3.10 更換推力軸瓦為強制供油瓦塊

強制供油瓦塊相比普通瓦塊，對軸承的潤滑效果及瓦面的降溫效果都有很大的提高，由于進油側(cè)供油槽的存在，保證了每個瓦塊都能擁有足夠的潤滑油附著。還可以在瓦胎的材質(zhì)上做文章，改用更加不易升溫或者更容易散熱的合金材料制作瓦胎。

4 改善效果及總結(jié)

依照以上改善辦法，案例中的合成氣壓縮機更換了推力盤，甩油環(huán)出油孔由φ13 改為了φ16，平衡盤及相應(yīng)隔板、密封都進行了重新計算與更換。回裝后發(fā)現(xiàn)，之前的聯(lián)軸器安裝沒有考慮預(yù)拉伸量。于是，又將聯(lián)軸器中間節(jié)的調(diào)整墊片卸下5 片，調(diào)整至預(yù)拉伸2.0mm 的狀態(tài)，再次運行，推力軸承溫度終于穩(wěn)定在了86℃。

其實，設(shè)備運轉(zhuǎn)情況是否良好，除了與設(shè)備加工制造的質(zhì)量有關(guān)，更與用戶的使用維護息息相關(guān)。負荷的加載與卸載是否平穩(wěn)，介質(zhì)混合組分的比例是否穩(wěn)定，檢修時對細節(jié)的把控是否到位、全面等。這些都是影響推力軸承工作狀態(tài)的因素，由此可見，分析一臺合成氣壓縮機推力軸承溫度高的問題，需要綜合考慮多方面原因，逐項排除逐項完善，才能最終改善溫度偏高的情況。