往復(fù)式壓縮機(jī)主軸瓦異常損壞分析與改進(jìn)措施

呂杰明

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253000）

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)（以下簡稱往復(fù)機(jī)）廣泛應(yīng)用于天然氣、石油、化工、冶金等能源和工業(yè)領(lǐng)域，是這些領(lǐng)域的核心設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)不僅影響經(jīng)濟(jì)效益也涉及人身安全。完好的運(yùn)轉(zhuǎn)部件是往復(fù)機(jī)長久運(yùn)行的關(guān)鍵之一，由于運(yùn)轉(zhuǎn)部件如主軸瓦的損壞引起的停機(jī)現(xiàn)象時有發(fā)生，對某單位6M32-153/0.5-51-bx 往復(fù)機(jī)發(fā)生的軸瓦異常損壞進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軸瓦損壞（尚未損壞主軸）的早期征兆，避免了事故進(jìn)一步擴(kuò)大化。從現(xiàn)象入手分析可能的原因，并采取有效解決措施預(yù)防再次出現(xiàn)上瓦損壞的故障。

1 結(jié)構(gòu)形式

往復(fù)機(jī)是將解析氣送往甲醇合成裝置的核心設(shè)備，工藝介質(zhì)成分為70%氫氣、29%氮?dú)庖约吧倭緾O 和CO2。該往復(fù)機(jī)采用6M 型對稱平衡式的結(jié)構(gòu)形式（圖1），6 列5 級壓縮，氣缸水冷、壓力循環(huán)潤滑、電機(jī)拖動，各列氣缸水平布置在曲軸兩側(cè)，具備動平衡性好的特點(diǎn)。

圖1 壓縮機(jī)6M32 布置

2 軸瓦損壞事故案例

該往復(fù)機(jī)于2021 年1 月31 日正式投運(yùn)后，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。期間中控監(jiān)測各數(shù)據(jù)，各軸承溫度、潤滑油溫度、各級進(jìn)出口壓力、流量一直保持正常。由于設(shè)備處于首次運(yùn)行，各個活塞環(huán)、支撐環(huán)、軸瓦磨損狀況未知，所以為了更準(zhǔn)確的摸透設(shè)備運(yùn)行周期，準(zhǔn)備于3 月31 日檢修一次。拆檢發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)及支撐環(huán)均磨損良好，磨損量在0.1 mm 左右。所有下瓦有部分高點(diǎn)剮蹭但不影響使用。軸端第一副主軸瓦的上瓦（非驅(qū)動端第一副瓦）瓦口處出現(xiàn)巴氏合金裂紋并部分脫落，其余上瓦均未出現(xiàn)此現(xiàn)象（圖2）。

3 上瓦裂紋原因分析

往復(fù)機(jī)正常來說，通常軸瓦的失效形式為磨損失效，即較長時間后，軸瓦和軸之間間隙超過允許值，已經(jīng)不能正常工作。這種磨損失效是一種正常失效方式，也有非正常失效方式，如嵌入與拉傷、磨損與偏磨、膠合與腐蝕、異常疲勞等。非正常失效的現(xiàn)象一般是下瓦上出現(xiàn)較多，因?yàn)橄峦咄鞘芰γ妫峦呱系挠湍ぶ沃S進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。而上瓦出現(xiàn)磨損裂紋的現(xiàn)象比較少，尤其是當(dāng)一副瓦的下瓦沒有磨損而上瓦有磨損裂紋現(xiàn)象更少。所以研究上瓦裂紋出現(xiàn)的原因有較大的意義。一旦上瓦的側(cè)間隙不好或接觸不均勻，容易造成軸瓦溫度升高，甚至干磨繼而軸瓦上的巴氏合金磨損剝離。軸瓦本身的澆筑巴氏合金不佳也有可能導(dǎo)致合金脫落。所以有必要對上瓦從安裝角度和軸瓦質(zhì)量兩方面進(jìn)行原因分析。

3.1 安裝角度分析

從安裝角度分析，往往能發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)忽略的地方。建設(shè)單位安裝時不可控因素較多，一個因素不達(dá)標(biāo)就有可能導(dǎo)致零部件的損壞。

3.1.1 軸系對中不好導(dǎo)致的故障

如果電機(jī)和軸系的對中未按照設(shè)計要求，會導(dǎo)致對轉(zhuǎn)子額外的激振力。激振力會隨著對中不良造成的開口而變化，開口越大，激振力越大。激振力也會隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。激振力會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相應(yīng)額外的軸向力或徑向力，使轉(zhuǎn)子異常跳動，造成軸瓦損壞。但查看中控趨勢可見，機(jī)身振動值并無很大變化，一直處于一個穩(wěn)定的區(qū)間，一般在1.6～2.3 mm。且查看安裝時對中數(shù)據(jù)可知，對中數(shù)據(jù)在0.03 mm，均小于設(shè)計值0.05 mm，所以排除是軸系不對中導(dǎo)致的故障。

3.1.2 瓦背和瓦座接觸面不好導(dǎo)致的故障

軸瓦和瓦座之間、下瓦和軸徑之間往往有接觸面積要求，如果接觸面積不達(dá)標(biāo)，軸瓦在瓦座中有翹角現(xiàn)象，那么當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時就容易顫動，這種顫動會導(dǎo)致巴氏合金提前疲勞斷裂。軸瓦和瓦窩的接觸面積不得小于70%，下瓦和軸徑的接觸面積夾角不應(yīng)小于90°，且接觸面積不應(yīng)小于該接觸弧面的70%。雖然拆檢軸瓦中的確發(fā)現(xiàn)下瓦有輕微接觸不良現(xiàn)象，但軸瓦和瓦座的接觸面要求往往指下瓦，上瓦不在此要求之中，所以上瓦損壞排除是瓦背和瓦座接觸面不好導(dǎo)致的故障。

3.1.3 曲軸箱水平度差導(dǎo)致的故障

曲軸箱水平度差會導(dǎo)致軸瓦對中不好，會使軸瓦在水平和垂直方向上具備不同的剛度和阻尼，會使軸承的工作條件發(fā)生改變，相當(dāng)于重新分配載荷，產(chǎn)生額外的力或力矩，嚴(yán)重的會使轉(zhuǎn)子碰摩或超載。查看瓦窩的水平度安裝記錄可知，6 個瓦窩水平度分別為0.02、0.04、0.04、0.01、0.03、0.02，均小于設(shè)計值0.05 mm/m，是符合要求的，可見瓦窩也在一條中心線上，并不是曲軸箱水平度的問題[1]，所以不是曲軸箱水平度差導(dǎo)致的故障。

3.1.4 潤滑油質(zhì)量不佳導(dǎo)致的故障

如果潤滑油質(zhì)量不佳，油的潤滑效果會變差，容易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。如果潤滑油出現(xiàn)問題，出現(xiàn)損壞的就不僅僅是上瓦，6 副瓦都存在問題。查看6 副瓦發(fā)現(xiàn)不存在燒蝕現(xiàn)象。而且這是新安裝的潤滑油，使用時間也很短，色澤清亮，不存在發(fā)黑現(xiàn)象，所以不應(yīng)該存在由于潤滑油質(zhì)量不佳導(dǎo)致故障。

3.1.5 潤滑油路缺油導(dǎo)致的故障

如果潤滑油路缺油，到達(dá)主軸瓦、大頭瓦的油會變少，就不能形成良好的油膜，繼而導(dǎo)致主軸瓦與大頭瓦與主軸發(fā)生直接摩擦，嚴(yán)重的會出現(xiàn)熱量帶不走瓦被燒蝕的現(xiàn)象。查看中控趨勢，油壓一直穩(wěn)定在0.35～0.4 MPa，也符合技術(shù)要求。查看法蘭、管線、安全閥均沒有泄漏的地方，過濾器壓差也較為正常。但在安裝期間，盤車過程中存在過潤滑油泵未啟動就盤車的現(xiàn)象，負(fù)荷試車時，由于氣溫低，存在過油溫未完全起來，油壓較低時就試車的現(xiàn)象。所以，短時間內(nèi)潤滑油缺少導(dǎo)致主軸瓦與主軸摩擦是有可能的，如果是長時間的潤滑油缺少則會導(dǎo)致燒瓦。觀察損壞的上瓦，發(fā)現(xiàn)并沒有燒蝕的痕跡，所以短時內(nèi)潤滑油缺少是可能導(dǎo)致上瓦巴氏合金出現(xiàn)裂紋的原因之一。

3.1.6 曲軸和軸瓦間隙差導(dǎo)致的故障

查找初始安裝記錄可知，頂間隙為0.26 mm，側(cè)間隙為0.10 mm，而往復(fù)機(jī)廠家要求頂間隙為0.19～0.29 mm，側(cè)間隙為頂間隙的1/2，安裝的間隙是符合設(shè)計要求的，只是側(cè)間隙略顯小。觀察受損部位圖3 可知，上瓦靠近瓦口處有輕微發(fā)黑摩擦現(xiàn)象。往復(fù)機(jī)與電機(jī)是剛性連接且聯(lián)軸器上飛輪過重，有可能是曲軸旋轉(zhuǎn)時，在油膜壓力和沖擊載荷下曲軸的軸徑在軸瓦中并不是嚴(yán)格穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)而是上下跳動，使原本為0.10 mm 的側(cè)間隙值更小甚至撞擊到軸瓦上造成磨損。側(cè)間隙較小有可能是導(dǎo)致上瓦巴氏合金出現(xiàn)裂紋的原因之一。

3.2 軸瓦質(zhì)量分析

觀察上瓦損傷及細(xì)節(jié)（圖2、圖3），發(fā)現(xiàn)雖有輕微摩擦導(dǎo)致的發(fā)黑現(xiàn)象，但結(jié)合上瓦并不受力的特點(diǎn)可以判斷出現(xiàn)裂紋并不是輕微摩擦導(dǎo)致的根本原因。將仍出現(xiàn)裂紋但仍附著在瓦面的巴氏合金取下來，發(fā)現(xiàn)剩下的瓦體表面發(fā)黑（圖4）。顯然巴氏合金層的輕微摩擦不足以導(dǎo)致剩下的瓦體發(fā)黑。若將正常的主軸瓦刮掉一部分合金層，可見剩下的瓦體發(fā)亮（圖5）。主軸瓦的制造工序是軸瓦毛坯加工后熱處理消除應(yīng)力→搪錫處理→澆筑巴氏合金。搪錫是為了避開瓦體和合金直接結(jié)合力弱而在中間作為過渡層使用。巴氏合金和瓦體之間的結(jié)合力完全依靠錫和瓦體的結(jié)合強(qiáng)度而定。一旦錫和瓦體之間的結(jié)合強(qiáng)度出現(xiàn)問題，巴氏合金層就容易脫落。搪錫處理中，瓦體的表面如果不清潔，搪錫后的結(jié)合強(qiáng)度就會下降[2]。從圖4 中可以看見，巴氏合金層是帶著錫層一并脫落的，只剩下發(fā)黑的瓦體。顯然瓦體和錫層的結(jié)合力強(qiáng)度不夠。而這發(fā)黑的瓦體很有可能是搪錫前瓦體未涂滿足夠的氯化鋅溶液造成防氧化效果差，繼而長時間存放，瓦體出現(xiàn)局部氧化，也有可能是某種未及時清理的污染物，再搪錫處理后結(jié)合力不足，導(dǎo)致巴氏合金與瓦體的結(jié)合力也變?nèi)酰罱K在曲軸和軸瓦碰撞中出現(xiàn)裂紋。總而言之，主軸瓦加工制造質(zhì)量不達(dá)標(biāo)是導(dǎo)致上瓦出現(xiàn)巴氏合金裂紋的主要原因。

圖2 上瓦巴氏合金損傷

圖3 受損部位細(xì)節(jié)

圖4 瓦體發(fā)黑

圖5 瓦體發(fā)亮

4 解決措施

（1）由于6M32 往復(fù)機(jī)出現(xiàn)的軸瓦損傷，6 副主軸瓦中，僅有一副的上瓦出現(xiàn)質(zhì)量問題，所以準(zhǔn)備對目前的已有的軸瓦備件進(jìn)行抽檢作著色探傷和超聲波探傷。著色探傷可以檢測軸瓦的巴氏合金表面有無細(xì)小的裂紋缺陷，超聲波探傷則可以檢測巴氏合金和瓦體結(jié)合面的粘合情況，用超聲波在2 種不同金屬中傳播的反射和投射情況即可判斷內(nèi)部缺陷。具體判斷標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)JBT 4272—1994《汽輪機(jī)錫基合金軸瓦技術(shù)條件》中的規(guī)定。經(jīng)抽檢，未發(fā)現(xiàn)備用軸瓦出現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況。

（2）選擇新的上軸瓦進(jìn)行安裝，安裝時，進(jìn)一步增加側(cè)間隙值。安裝前，要對軸瓦用三棱刮刀刮削，安裝后，對側(cè)間隙用塞尺法進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)有0.12 mm。再次用三棱刮刀刮削直到0.15 mm，這算是設(shè)計的最大值，以此來保證主軸不會輕易撞上軸瓦。

5 結(jié)束語

6M32 往復(fù)機(jī)首次運(yùn)行2 個月就發(fā)生了軸瓦損壞，教訓(xùn)比較深刻。這種上瓦損壞是屬于非正常失效的案例，需要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，避免類似的事情再度發(fā)生。好在上瓦的合金脫落是順著油路流到機(jī)身底部，并未導(dǎo)致軸溫異常，也并未導(dǎo)致主軸和軸瓦膠合等嚴(yán)重事故。如果是上瓦脫落的合金掉在曲軸上，就容易堵塞油孔，進(jìn)而油溫升高，發(fā)生膠合等嚴(yán)重事故，甚至需要返廠曲軸作處理，無法滿足企業(yè)效益長周期運(yùn)行。可見新設(shè)備運(yùn)行時間短就首次檢修是十分必要的。本文著重分析了上瓦合金裂紋和脫落的原因，并采取了有效措施避免軸瓦再次出現(xiàn)損壞的事故。從事故中吸取教訓(xùn)，對新設(shè)備的新備件作探傷是十分必要的手段，只有這樣才能保證設(shè)備長周期、滿負(fù)荷、穩(wěn)定的運(yùn)行。