高溫泵軸承失效分析及潤滑可靠性監測系統的應用*

張柏成 譚桂斌 馮 偉 鐘龍風

(1.中海油惠州石化有限公司 廣東惠州 516086；2.廣州機械科學研究院有限公司，工業摩擦潤滑技術國家地方聯合工程研究中心 廣東廣州 510535)

在中海油惠州石化有限公司120萬噸/年重油催化裝置(I)油漿泵，2009年6月正式建成投產使用，為裝置主要設備，在石化企業同行均定為A類設備，位號102-P207A、B兩臺，日常生產一開一備，3個月切換一次運行。該油漿泵設備采用集中油霧潤滑的方式，采用的潤滑油為昆侖牌L-TSA-46#汽輪機油。自煉油裝置開工以來，油漿泵的軸承運行較穩定，2010年11月份大修時因軸承游隙增大更換了一次軸承。更換時軸承共服役近18個月，除軸承游隙增大外，軸承沒有明顯的損壞。而大修后該油漿泵的軸承僅運行13個月后，通過設備潤滑可靠性監測發現102- P207B油漿泵的軸承箱用定位軸承磨損參數急劇增加，軸承內側保持架損壞嚴重，已完全磨損、剝落失效[1-5]。本文作者結合油液監測剖析了高溫泵軸承失效的原因，并探討設備潤滑可靠性監測預警平臺和系統在煉油裝置動設備上的應用。

1 油漿泵軸承失效位置及失效模式

重油催化裝置分流系統油漿泵為浙江某企業加工制造，為單級懸臂離心泵。該泵輸送介質為重油催化油漿，泵工藝參數見表1。其前軸承型號為7314BECB(聯軸器側)，后軸承型號為NU218E,均為進口精密軸承。

表1 油漿泵主要工藝參數

102-207B油漿泵使用的潤滑油每月都會取樣進行鐵譜分析。2012年11月，鐵譜分析發現油中有少量鋼質和大量細小銅合金異常磨損顆粒，磨損金屬元素Cu含量偏高，直讀鐵譜DL、DS值嚴重偏高，如圖1所示。通過油液監測分析初步判定油漿泵的軸承滾珠及保持架存在異常磨損。同時，在現場采用便攜式監測儀對軸承進行監測[6]，測得軸承箱軸承部位振動、溫度信號正常，但軸承的振動加速度值超過正常值，軸承故障因子參數超標，泵的垂直、水平方向振動加速度值均超過5g危險報警值，且對應的軸承故障因子DEF值也超過報警值7，見表2。

圖1 油液中磨粒

表2 機泵測點振動值

通過對軸承結構、振動頻譜等綜合分析，初步確定軸承存在故障。停機檢修后發現，該油漿泵的推力球軸承損壞嚴重，保持架幾乎全部磨損剝落，只剩下有4個滾珠架相連，滾動體有明顯的磨損故障，如圖2所示。這些失效位置、失效模式與設備油液監測診斷的結論吻合。

圖2 磨損失效的油漿泵軸承

2 油漿泵軸承磨損失效原因分析

2.1 軸承潤滑

102-207B油漿高溫泵采用的是集中油霧潤滑方式，從設備檢修記錄上看，自2009年6月投產以來軸承潤滑穩定、可靠，油漿泵運行18個月后(從2009年6月至2010年11月的“大修窗口”)，定期檢修時更換了一次軸承。因此，集中油霧潤滑方式是基本能夠滿足要求的。但大型煉油裝置可能影響到軸承壽命的因素很多，軸承正常運行也受到了外部工況的影響，如設備檢修前后軸承存在同心度、平衡度的差異，軸承裝配質量存在差異，不同批次軸承質量和耐久性存在差異等；此外，檢修后的油漿泵本身形態發生變化，機泵同軸度雖在標準規定的范圍內，而軸向和徑向的偏差在每次檢修之后都是不確定的；軸承產品質量雖然沒問題，但是每個軸承游隙也是有區別的，不同批次的軸承材料采購上也存在差別。這些外在的影響因素，會導致在同一個設備運行環境下，油漿泵軸承的真實服役壽命存在顯著的差異。

2.2 軸承箱結構

油漿高溫泵為浙江某企業生產，輸送介質油漿的溫度為340 ℃，制造商為了確保機泵運行安全穩定，采用了較大的“安全裕度設計”或“安全系數”，除材質選擇上耐高溫、耐腐蝕，其設計的機泵殼體體積、尺寸較大，所以，直接造成了軸承箱的箱體更長、徑向更大，形成了軸承箱內腔體空間尺寸偏大。但是，軸承設計選用的直徑偏小，又在軸承箱的兩端點，推力球軸承承載機泵運行的剩余軸向力，如果是在油浴潤滑稀油的運行環境下是能夠滿足設備的嚴苛工況條件的，因為軸承部分浸在油液中，潤滑摩擦區域不會存在干摩擦等問題。但是，在集中油霧潤滑裝置中，油液是通入油霧發生器，利用文氏管或渦旋效應或共振腔，以儀表風為載體，使得潤滑油霧化成3～5 μm的油霧顆粒，與儀表風形成含油量為5×10-6的油霧流，最終，通過細長的潤滑流體管道將油霧送到機泵軸承箱。根據油霧量的設計，選用了較大油霧量的噴嘴。

但是，通過對大量監測數據以及102-207B油漿泵的軸承失效位置和失效模式的分析，該軸承是經過長時間的輕微摩擦磨損，慢慢積累而產生的嚴重磨損和剝落(在2012年11月呈現了明顯的磨損元素超標，短時間急劇增加的現象)。另外，通過油液監測診斷發現，在軸承箱較大尺寸的腔體內可能出現油霧量供油不足、溫度極高、轉速較快等嚴苛瞬態工況，再加上軸承在軸承箱兩端的“局域”死角盲區位置，在油漿泵長時間服役過程中，未形成長周期的、充足的軸承潤滑油膜。

因此，因存在潤滑系統和裝置設計的不足，102-207B油漿泵的軸承在“乏油”潤滑條件下運行，再加上油漿泵循環輸送的是高溫、腐蝕、易燃重油介質等，又導致了軸承箱的軸承微觀接觸區瞬態溫升、供油困難、“油膜坍塌失效”等，不可避免地誘發了軸承表面的摩擦磨損、疲勞磨損。

2.3 油霧潤滑系統

查看設備的維護和檢修資料手冊，102-207B油漿泵的軸承潤滑采用了LubriMist-IVT油霧潤滑系統，裝置建成投產后(從2009年6月起)，該油霧潤滑系統總體運行安全、平穩、可靠，沒有中間的計劃外停機檢修情況出現，基本滿足了大型煉油裝置4年一修的長周期安全運行。此外，機泵群使用的潤滑供油系統核心的油霧主機運行平穩，所保障的機泵數量、距離、結構等完全符合要求，根據企業生產要求，潤滑供油系統的油霧裝置可最遠輸送至距離主機180 m的機泵軸承箱，且可滿足80臺(套)機泵的合理潤滑需求。另外，油霧主管線的坡度、結構、尺寸等也符合規定，油霧進入軸承箱的路徑、壓力合格，經現場設備隱患點的排查和分析發現，在機泵潤滑供油系統的現場安裝、使用、維護上沒有發現問題。

雖然在機泵群的油霧量設計參數經過了詳細的計算、分析，按較大的油霧量進行設計和加工，也選定了合理的油霧噴嘴尺寸，但是該油漿泵的大型軸承箱體內腔的空間較大、軸承尺寸較小，導致了油霧進入軸承箱體內的油霧量是有限的、供應量易波動。大型軸承箱的軸承摩擦接觸區長時間的油霧介質供應不足、供應不穩定，那么，軸承滾動體與保護架之間形成的油膜厚度不足、油膜形態不均勻，而油漿泵長時間、不間斷地在重載摩擦下運行，最終導致了承載能力大、載荷校大的推力球軸承過早磨損失效。

3 改進措施及效果

該油漿泵為分流塔底的熱油泵，介質具有高溫、腐蝕、易燃性的特點，一旦機泵的軸承箱、機械密封發生介質泄漏就會誘發污染、著火事故等。大型煉廠該類油漿泵的泄漏、著火事故等頻見報道。所以，對于油漿泵軸承箱的軸承的長周期安全、可靠、穩定運行是非常重要的，是保證大型煉油裝置安全可靠運行的前提條件。

根據現場機泵群運行的實際情況，在保留原有油霧潤滑系統的基礎上，首先恢復了油浴稀油潤滑的供油方式，對集中的油霧潤滑系統進行了優化，使油漿泵大型軸承箱的軸承在2種潤滑方式下運行，使潤滑供油方式實現了雙保險，從而使油漿泵大型軸承箱的軸承運行安全性、可靠性得到了顯著提升[7-9]。改造好取得了良好的效果，根據檢修履歷記錄，2013年10月和2019年3月進行了2次檢修，對機泵群在該部位的軸承進行了檢測，沒有發現類似的磨損失效現象，該油漿泵大型軸承箱的軸承處于良好的潤滑摩擦狀態。

4 設備潤滑可靠性監測預警平臺和系統的應用

考慮潤滑油離線監測存在數據滯后現象，不能及時發現設備存在的故障隱患[10]。為實現重要裝置潤滑狀態的實時監測，中海油惠州石化有限公司上線了一套設備潤滑可靠性管理及狀態監控預警系統，該系統實現了對關鍵動設備的油品選用、新油檢測與儲存、污染監控、使用監測等全過程進行管理，能科學合理地確定潤滑油的使用壽命和換油周期。該系統不僅實現了動設備潤滑運行的磨損狀態監測、潤滑油污染狀態監測、潤滑油使用性能監測，還對動設備運行狀態進行科學診斷，為設備維修決策提供科學的數據指導。多年的實踐應用結果表明，該系統對石化動設備磨損故障診斷準確率達92.3%。

根據該系統，采集的現場設備及潤滑信息可用于設備油液監測、故障診斷及維護管理等，同時還可與項目合作方的實驗室LIMS系統、企業設備潤滑可靠性管理系統等接口兼容，做到多信息共享。系統框架如圖3所示。

圖3 動設備潤滑狀態監測系統架構

5 總結與展望

通過設備潤滑可靠性監測發現了102- P207B油漿泵的軸承箱用定位軸承磨損故障問題，避免了大的安全事故。

為了有效監控機泵軸承運行狀態，防止故障及事故發生，提前進行預防維修，在國內同行首次上線了大型煉化企業的機泵群油液監測平臺，滿足了關鍵機泵群軸承潤滑磨損狀態的快捷、及時、高效的監控診斷重大需求。利用該監測平臺，結合油液監測的定期采樣分析數據、現場便攜式檢測儀器采集數據及聽診器監聽分析等多元化的組合方法，可以綜合診斷評價油漿泵軸承的失效位置、失效規律。下一步，將探索大數據、工業互聯網、人工智能等新技術如何應用到石化動設備的早期故障監測及智能化運維。