透平壓縮機組軸承漆膜現象及對策

陳忠偉，王昭鋒

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

0 引言

海洋石油富島股份有限公司化肥二期合成裝置包括合成氣壓縮機組(103J/JT)及冷凍氨壓縮機組(105J/JT)，均由日本三菱公司制造。合成氣壓縮機組的汽輪機型號為4EH-6BD，壓縮機高低壓缸型號分別為4V-7S、4V-7；機組的主要性能參數包括：正常轉速為13412 r/min，正常軸功率為6546 kW，工藝介質為合成氣。冷凍氨壓縮機組的汽輪機型號為5BH-3，壓縮機型號為5H-6C；機組的主要性能參數包括：正常轉速為9665 r/min，正常軸功率為4290 kW，工藝介質為氨氣。這兩臺機組共用一個油箱，使用的潤滑油為日本三菱公司推薦的MOBIL DTE LIGHT。

1 機組運行情況介紹

兩臺機組于2003年9月投入運行，自投入運行開始，每個月均對機組在用潤滑油的運動黏度、閃點、酸值、破乳化度等常規技術指標進行分析，分析結果均正常。2006年3月裝置停車檢修時打開油箱，發現在油箱內壁上和油面上有少量膠狀成塊的黑色異物，但兩臺機組軸承溫度、壓力和軸位移均沒有出現異常波動。對油箱內的潤滑油取樣做常規技術指標分析，各項指標均在正常范圍之內，用濾油機對油箱中的潤滑油進行過濾并清洗油箱后繼續使用原潤滑油。2009年3月裝置停車檢修時再次打開油箱，在油箱內壁上和油面上有多塊類似2006年大修時出現的膠狀成塊黑色異物，對油箱內的潤滑油取樣做常規技術指標分析，各項指標均在正常范圍之內，用濾油機對油箱中的潤滑油進行過濾并清洗油箱后繼續使用原潤滑油 。

為了更全面地對機組的潤滑狀態進行監控和評估，2011年開始與廣州機械科學研究院合作，每月對機組在用油品進行檢測，除對油品的常規技術指標進行檢測外，還進行污染度、光譜元素、鐵譜磨損等檢測，及時檢測軸承的磨損狀態。

2012年9月初開始合成氣壓縮機低壓缸非驅動側軸承溫度TE-2504和TE-2505不斷上升，10月3日TE-2504從100 ℃快速上升至122 ℃后快速降落至72 ℃，同時對應的軸承振動VT-2500快速地從5 μm上升至50 μm。廣州機械科學研究院對當月的油品進行分析，主要理化指標正常，但污染度等級偏高，油品中有少量油泥顆粒污染。10月14日機組停車檢修，在油箱內油面上及油箱壁上均發現大量膠狀成塊的黑色異物，軸承下瓦塊有明顯的黑色結垢物，見圖1，軸承瓦塊表面有輕微磨損，在油過濾器內部也有嚴重的黑色結垢物。廣州機械科學研究院對異物進行了專業分析，結果為異物中有機酸銨類化合物含量達到 60%～70%，認為在壓縮機系統的工作條件下，油品中本身的添加劑析出可能性極小，有機酸銨類化合物有可能來源于外界污染。

圖1 油箱內膠狀成塊黑色異物及軸承結垢物

對油箱內潤滑油進行離線過濾并清洗油箱，更換了合成氣壓縮機低壓缸兩側軸承，開車后機組軸承溫度及振動恢復正常。2013年3月根據日本三菱公司的建議將機組潤滑油更換為抗氧化能力較強的SHELL TURBO J32 ，并用蒸汽和壓縮空氣對機組潤滑油系統、控制油系統設備及管線進行吹掃，開車后機組軸承溫度、振動均正常。2014年5月至2018年合成氣壓縮機低壓缸兩側軸承溫度多次出現初期軸承溫度緩慢上升，后期快速上升至120 ℃左右后快速下降，同時伴隨著軸承振動大幅波動的現象，見圖2。

圖2 103JLP非驅動側軸承溫度、振動變化

2018年10月初潤滑油過濾器濾芯因壓差高更換，更換后兩臺機組的多個軸承溫度出現大幅波動，最高溫度達134 ℃，對應的軸承振動也出現相應的波動，見圖3。

圖3 103JLP驅動側軸承溫度、振動變化

2 漆膜的形成分析

漆膜通?？梢哉J為是薄層、有光澤的、不溶性沉積物，是一種高分子烴類聚合物，是油品變質的產物[1]，漆膜生成物的生成主要有三方面的原因。

2.1 油品的氧化降解

油品在使用過程中，遇到高溫、水分、金屬和空氣等物質都會加速氧化，生成羧酸、酯、醇等氧化產物，這些氧化物進一步縮聚形成高分子聚合物[2]。

2.2 局部表面的熱點和微燃燒

高溫或高強度摩擦使部分金屬表面處于較高溫度(如軸瓦)，導致接觸該區域的油液溫度處于非常高的狀態，造成油液急速熱降解生成漆膜生成物[3]，并很容易黏附在這些元器件上形成堆積。相比第一種的氧化降解，第二種生成的漆膜速度會快得多。

2.3 靜電流降解

凝汽式汽輪機后幾級動葉片與蒸汽中冷凝的小液滴摩擦會產生靜電[4]，由于潤滑油導電性能比較弱，產生的靜電會在轉子上聚集，當轉子上的電荷聚集到一定程度時，會擊穿絕緣體(油膜)產生火花放電現象，電流經過的微小區域溫度可達幾百甚至上千攝氏度，造成油液 “微燃燒”[5]，形成尺寸極小的不溶物，在金屬表面形成漆膜。

為了減少潤滑油的氧化，機組原設計中對油箱進行充氮保護，整個油系統基本上在低氧的環境中運行，在正常的使用情況下潤滑油因氧化產生漆膜生成物的可能性很小；機組在啟動過程中部分軸承溫度偏高會使少量潤滑油降解，但由于持續時間較短，發生降解的量很少，很難產生漆膜現象；合成氣壓縮機透平屬凝汽式汽輪機，但檢查接地電刷無異常，從機組在線狀態監測系統(本特利SYSTEM1系統)的軸承軌跡圖譜中也沒有發現軸承有放電現象，所以可以排除軸承放電引起漆膜現象的可能性。從機組的運行歷史及廣州機械科學研究院對異物的檢測結果看，機組從2003年投用至2012年，冷凍氨壓縮機干氣密封一級放空流量計經常處于滿量程狀態，氨氣存在大量泄漏，由于干氣密封緩沖氣(N2)壓力較低，泄漏的氨氣通過軸端疏齒密封進入到軸承箱中，這點從每次打開油箱蓋時聞到濃濃的氨味可以得到確認，因機組使用的潤滑油為MOBIL DTE LIGHT，屬抗氧防銹汽輪機油，該類汽輪機油一般使用酸性防銹劑，泄漏的氨氣進入油系統后會與油中的酸性防銹劑發生反應[6]，生成有機酸銨，與廣州機械科學研究院檢測到異物中有機酸銨類化合物含量達到 60%～70%的結果相吻合。2018年10月機組出現漆膜現象后對油箱中油氣進行取樣分析，分析結果為油氣中氨的含量約為2%。所以可以確認機組出現漆膜現象是由于氨氣進入到油系統與油中的酸性防銹劑發生反應，生成有機酸銨引起的。

潤滑油中的漆膜生成物和油泥具有極性，容易聚集和黏附在金屬表面[7]，在油箱中會出現膠狀成塊黑色異物，但對已經發生漆膜現象的潤滑油進行漆膜傾向△E值(MPC法)檢測[8]，往往△E并不高(新油時該值一般小于15，通常認為該值大于30時，應對油品采取凈化措施進行處理[9])，但一般污染度NAS等級會偏高(GB/T 7596要求運行中礦物渦輪機油SAEAS4059F顆粒污染等級≤8級[10]，等同于NAS等級8級)，見表1。

表1 潤滑油漆膜傾向指數△E和NAS等級

3 漆膜現象的特征

漆膜現象最基本的特征是初期機組部分軸承溫度緩慢上升，后期軸承溫度快速上升后快速下降，同時伴隨著軸承振動的波動。當潤滑油中不可分解物通過最小軸承間隙處時，在高溫等因素作用下，容易積聚在巴氏合金表面，形成漆膜[11]，隨著漆膜厚度的增大，軸承潤滑狀況惡化，軸承溫度逐漸上升，當漆膜逐漸增厚到一定程度后，與轉子發生碰磨，轉子振動瞬間波動，漆膜因與轉子碰磨部分脫落并被潤滑油沖走，軸承潤滑狀況得到改善，軸承溫度下降。隨著運行時間的增長，這種現象會反復出現(見圖3)。伴隨著漆膜現象，油系統可能會出現的異?，F象是：油過濾器壓差上升，油過濾器濾芯及殼體內壁上有油泥狀結垢物，油箱油面上有膠狀漂浮物。

對于同一臺機組，有部分軸承有嚴重的漆膜現象，但有部分軸承則沒有明顯的漆膜現象，軸承溫度、振動均比較平穩。2019年4月對兩臺機組進行解體檢修發現，有部分軸承瓦塊表面有嚴重的漆膜，軸承附近的零部件上也形成明顯的漆膜，有部分軸承則沒有漆膜，其附近區域也比較干凈，見圖4，結合2014年5月至2018年間兩臺機組只有合成氣壓縮機低壓缸兩側徑向軸承出現漆膜現象的情況，可以推斷出：一是軸承油膜的厚薄對漆膜現象的形成影響較大，油膜薄的軸承比較容易出現漆膜現象，軸承油膜的厚度取決于軸承結構、轉子重量及軸向力等因素；二是氨氣與酸性防銹劑發生反應生成的有機酸銨類化合物附著在軸承表面是導致軸承漆膜現象發生的根本原因，但在漆膜現象發生后，軸承溫度上升，潤滑油因高溫造成油液急速熱降解而生成大量新的不溶物是軸承瓦塊及附近的零部件上漆膜的主要來源。

圖4 機組軸承比對

4 漆膜的危害

4.1 軸瓦損傷

對于徑向軸承，漆膜在軸承底部瓦塊進油口處形成會減少底部瓦塊的進油量，影響瓦塊的散熱，導致瓦塊與軸頸間的油膜形成不良，摩擦產生的熱量不能及時帶走會引起軸承溫度上升，嚴重時可能會造成油膜難形成或易破壞[12]，軸頸與軸瓦發生輕微摩擦造成軸瓦損傷。

4.2 液壓控制系統操作失靈

漆膜生成物會在液壓控制系統伺服閥、油動機、閥芯等部位黏附，導致這些部位動作不靈活或卡澀，油路上黏附的漆膜也可能會脫落進入精密液壓控制零件造成堵塞，導致液壓控制系統失靈，嚴重時會導致機組跳車，2018年11月1日就出現過由于合成氣壓縮機透平GV閥電液轉換器入口的濾網堵塞(見圖5)而引起機組跳車事故。

圖5 103JT GV閥電液轉換器入口濾網堵塞

4.3 堵塞油過濾器

漆膜生成物黏附在油過濾器濾芯上造成過濾器壓差上升，嚴重時可能會因壓差過高引起機組跳車。

4.4 軸承進油溫度升高

漆膜生成物黏附在油冷器換熱管表面，導致換熱效果不良，軸承進油溫度偏高，油品加速氧化和高溫降解。

5 處理對策

由于漆膜影響軸承的正常潤滑，對設備的正常運行威脅嚴重，需要找到漆膜形成的主要原因，采取有效的處理手段來解決漆膜問題。

5.1 短期對策

機組軸承出現漆膜現象說明在用油品已經變質，有必要盡快停機更換全部潤滑油，清洗油管路，如果因生產需要無法停機更換，可采取以下措施處理以保證機組的安全運行。

5.1.1 阻止漆膜生成物繼續生成

查找漆膜生成的主要原因，采用對應措施減少或杜絕漆膜生成物的繼續生成。2013年3月在裝置大修時，根據機組軸承漆膜產生的原因，更換了冷凍氨壓縮機兩側泄漏的干氣密封并對干氣密封供氣系統進行了改造，提高了緩沖氣壓力，以防止泄漏的氨氣進入到油系統中。但由于干氣密封一級放空流量計靈敏度不夠，氨氣少量泄漏監測不到，導致氨氣進入到油系統中。2018年10月漆膜現象再次發生后，工藝人員將一級排放導淋接到水槽排放，油箱油氣中氨氣的含量從2%降至50 μg/g，有效減少了漆膜生成物的繼續生成。

5.1.2 部分置換潤滑油

機組軸承漆膜現象出現后，潤滑油中雜質含量增多，在線置換部分油箱中潤滑油可以減少雜質的含量，增加潤滑油的抗氧防銹性能，減緩漆膜現象的發生頻率。

5.1.3 在線過濾

由于漆膜生成物是一種軟性污染物，其尺寸小于1 μm，傳統的機械過濾很難去除它[13]?？衫贸崮V油機對油箱中的潤滑油進行在線過濾以減少潤滑油中漆膜生成物的含量，有效降低漆膜現象的發生頻率。2019年10月25日利用除漆膜、油泥專用凈油機對油箱內潤滑油進行在線循環過濾，該凈油機有靜電凈化系統和離子樹脂吸附系統，靜電凈化系統可清除0.02 μm大小的污染物，離子樹脂吸附系統能夠去除可溶解性的污染物[14]。

經過以上措施處理后，潤滑油的漆膜現象逐漸消除，機組軸承溫度、振動的波動幅度逐漸趨于正常，見圖6。

圖6 103JLP驅動側軸承振動、溫度變化

5.2 長期對策

5.2.1 采用抗氨汽輪機油

利用抗氨汽輪機油替換沒有抗氨性能的SHELL TURBO J32，抗氨汽輪機油采用中性或堿性防銹劑，不易與油氣中的氨發生反應生成漆膜生成物[15]。在2019年4月裝置大修中，將機組在用的潤滑油SHELL TURBO J32更換成抗氨性能較好的潤滑油MOBIL TERESSTIC AC32。

5.2.2 對干氣密封供、排氣系統進行改造

為了防止氨氣進入到油系統中，有必要對冷凍氨壓縮機干氣密封供、排氣系統進行改造，在保證干氣密封正常運行的前提下，增加隔離氣的壓力，減少干氣密封泄漏后氨氣進入到油系統中的可能性，同時要對干氣密封一級放空系統的流量計進行改造，采用高靈敏度的流量計對干氣密封一級泄漏情況進行監控，如有泄漏要及時采取有效措施，防止泄漏后氨氣進入到油系統中。