金斯伯雷止推軸承在大型膨脹機組上的應用

陳仁來 劉永樓 熊 榮

（浙江嘉興石化有限公司）

2017 年10 月， 浙江某大型石化公司在新化工裝置調試試車階段，發生機組內膨脹機低壓級止推軸承推力瓦塊及其轉子止推面磨損的情況。該新裝置采用行業內最新技術， 單裝置產能最大，具有單位投資成本低、運行消耗成本低的特點。 該機組由德國西門子公司制造，包括汽輪機、減速機、空氣壓縮機、電動發電機二合一設備、膨脹機5 個主機設備， 以及壓縮機級間冷卻器、潤滑油站等輔助設備。 機組調試的最后一個主機是膨脹機，在膨脹機升溫運轉的調試后期，低壓級葉輪側止推軸承溫度突然上升而聯鎖停機，解體檢查發現止推軸承下部瓦塊磨損嚴重，對應的轉子推力面有磨損，筆者就該故障情況進行原因排查，并提出改進措施。

1 事故原因排查

新裝置五合一機組（圖1，從左往右依次為蒸汽輪機、變速箱、離心壓縮機、電動發電機和尾氣膨脹機）中的膨脹機以裝置內產生的高溫N2作為驅動源，額定工況為：高壓級進氣377t/h，進氣壓力5.5bar（1bar=0.1MPa），進氣溫度260℃，低壓級排氣壓力1.1bar，排氣溫度89℃；膨脹機的發電量17 550kW·h，止推軸承損壞情況如圖2 所示。

圖1 五合一機組結構示意圖

事故發生后，西門子專家對止推軸承和推力面的磨損進行了分析，認為是潤滑油的品質及其潔凈度等有問題，并且進行了逐項排查：

圖2 止推軸承損壞情況

a. 潤滑油的油品問題。 業主方提供了潤滑油供應商的潤滑油的粘度、 極壓指數等指標，都在五合一機組要求的潤滑油指標范圍內，此問題排除。

b. 潤滑油壓力的檢查。 潤滑系統總管壓力正常，對各潤滑點逐個進行了測量，膨脹機潤滑點的油壓正常，此問題排除。

c. 潤滑油的潔凈度問題。 由于潤滑油系統龐大，機組潤滑油正常循環用量為65t，雖然潤滑油的潔凈度已經達到7 級，但系統內是否存在衛生死角卻不得而知，為此，提高潤滑油過濾器的過濾精度，同時提高潤滑油的溫度，加大潤滑油系統的沖洗力度。 由于系統內其他4 臺設備運行正常，故在膨脹機的潤滑油流道入口處單獨再增加一級過濾，確保進入膨脹機的潤滑油潔凈度完全滿足潤滑要求，但再次調試膨脹機時，同樣的問題還是發生了。 因此，排查安裝或部件組裝問題，然而，對膨脹機的低壓級轉子與惰軸轉子的平行度、低壓級轉子前后瓦窩的同心度、設備安裝的水平度及轉子軸向間隙等進行復驗后，沒有發現任何偏差。

2 止推軸承改進方案的確定

針對有可能引發事故的原因進行排查均未找到問題所在， 但新裝置投產時間不能耽擱，使用方認為應該是低壓級轉子的止推瓦的承載能力有問題。

五機合一的空壓機組， 其他設備先行調試時，設備的軸承都正常，唯獨膨脹機低壓級葉輪側推力軸瓦有問題，因此可以判斷問題的關鍵不在潤滑油，而在推力軸瓦本身。 根據低壓級轉子的旋轉方向和轉子葉輪的偏重情況可知，轉子總重量為2 935kg， 其中懸臂式葉輪重量為1 797kg，葉輪直徑為1 600mm，膨脹機進氣升溫時， 葉輪受到氣體膨脹做功的軸向力變化很大，而轉子軸驅動惰軸承受的是向下的壓力，止推軸承采用米歇爾推力軸承，這就使得止推軸承瓦塊與轉子止推面的受力油楔間隙不均衡，特別是外下側受力大的瓦塊，間隙小，升溫過程中瞬間載荷過大，會導致瓦塊磨損和局部溫度升高。 轉子推力面的材料與轉子相同， 均為X5CrNiNb16-4，雖然該材料具有較好的耐腐蝕性能和特殊的機械性能，但沒有做任何耐磨處理，在局部高溫和高速運轉的情況下，脫落的錫基合金照樣可以對表面造成磨損，造成維修工作量成倍增加，維修時間長，維修成本高。

金斯伯雷軸承和米歇爾軸承的共同點是活動多塊式，在止推塊下有一個支點，這個支點一般偏離止推塊的中心， 止推塊可以繞支點擺動，根據載荷和轉速的變化形成有利的油膜。 米歇爾軸承止推塊直接與基環接觸，是單層的；金斯伯雷軸承止推塊下有上水準塊、下水準塊，然后才是基環，相當于3 層疊起來。 金斯伯雷軸承的特點是載荷分布均勻，調節靈活，能補償轉子的不對中、偏斜，并可反轉，這種軸承具有良好的均載減載能力。

綜合這些情況， 業主方提出的解決方案為：西門子重新設計承受轉子軸向力均衡性更好的金斯伯雷止推軸承，同時將轉子推力面噴鍍耐磨層。 經過3 個月的努力，西門子重新提供了金斯伯雷止推軸承， 并對轉子推力面進行耐磨處理，膨脹機再次調試，一次性通過。

3 結束語

隨著石化裝置化工工藝的不斷更新，新建化工裝置的要求越來越高， 特別是產能要求更高、運行成本更低，導致設備的尺寸越做越大；新裝置的應用和試運行過程中多少會出現一些問題，解決了就表明新工藝成功了。 浙江某大型石化公司新化工裝置將膨脹機的止推軸承更換為金斯伯雷軸承之后，設備轉子軸向的受力情況得到了改善，目前已經穩定運行了2 年。 機組改進通過測試后，裝置的工藝專利迅速在同行中進行了推廣，同樣的裝置也已于近日投產成功。