PTA 裝置尾氣膨脹機(jī)推力軸承溫度高的問題分析及對策

沈意凌

（揚子石油化工有限公司化工廠，江蘇南京210048）

空氣壓縮機(jī)組是2# PTA裝置的核心機(jī)組，由沈鼓集團(tuán)制造，為我國大型PTA裝置用空氣壓縮機(jī)組的首次國產(chǎn)化應(yīng)用。機(jī)組采用集中潤滑油站供油，主要由汽輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)和尾氣膨脹機(jī)三部分組成。汽輪機(jī)采用了杭州汽輪機(jī)股份有限公司設(shè)計制造的凝汽式蒸汽輪機(jī)實現(xiàn)裝置低品位副產(chǎn)蒸汽的能量回收，空氣壓縮機(jī)采用了大型齒輪整體組裝式離心結(jié)構(gòu)，尾氣膨脹機(jī)采用了大型齒輪整體組裝式向心結(jié)構(gòu)完成氧化尾氣能量回收。汽輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)、尾氣膨脹機(jī)間以膜片聯(lián)軸器連接實現(xiàn)扭矩傳遞、機(jī)組功率平衡的功能，結(jié)構(gòu)布置見圖1。

尾氣膨脹機(jī)主要作用是回收工藝流程中產(chǎn)生的尾氣的能量，依靠尾氣對葉輪的沖擊做功，推動尾氣膨脹機(jī)運轉(zhuǎn)，平衡空壓機(jī)組整體軸功率分配，降低蒸汽透平蒸汽消耗，充分利用高溫尾氣膨脹做功回收能量以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。其采用多軸齒輪組裝向心式結(jié)構(gòu)，為2 級2 段膨脹，2 級膨脹均采用半開式三元葉輪級，第一級與第二級采用不同轉(zhuǎn)速，分別與兩個小齒輪連接，確保較高的能量回收效率與可靠的性能。尾氣膨脹機(jī)性能參數(shù)見表1。

膨脹機(jī)設(shè)計使用的大齒輪軸推力軸承為徑向推力軸承一體化結(jié)構(gòu)，推力軸承為固定瓦推力軸承類型，為斜－平面扇形結(jié)構(gòu)。正常運行情況下，特殊的斜－平面結(jié)構(gòu)推力面與大齒輪軸推力盤間構(gòu)成楔形以便產(chǎn)生楔形效應(yīng)。在載荷穩(wěn)定連續(xù)運轉(zhuǎn)的條件下，固定瓦推力軸承承載能力比同尺寸可傾瓦推力軸承高10%～17%，且結(jié)構(gòu)簡單，安裝制造方便[1]。

2# PTA裝置于2018年4月恢復(fù)運行，6月開始尾氣膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承出現(xiàn)軸承溫度高、持續(xù)周期性波動的問題，給機(jī)組的安全長周期穩(wěn)定運行帶來了極大的隱患。

圖1 PTA空氣壓縮機(jī)組組成

表1 尾氣膨脹機(jī)性能參數(shù)

圖2 推力軸承溫度TI1146A變化趨勢

2 故障現(xiàn)象與原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

2018年6月開始，PTA二線膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承溫度開始出現(xiàn)緩慢上漲，由正常值82℃左右最高上升至116℃，在溫度峰值運行3 ～4 天后，突然下降至90℃左右，再次呈現(xiàn)緩慢上漲、峰值穩(wěn)定、突然下降的現(xiàn)象，如此持續(xù)往復(fù)，趨勢如圖2所示。

潤滑油供油溫度保持在40～44℃，進(jìn)入膨脹機(jī)潤滑油總管路壓力為0.23 MPa，膨脹機(jī)一級入口壓力波動范圍為0.97 ～1.05 MPa，機(jī)組為恒工作轉(zhuǎn)速（4 285 rpm），由于機(jī)組在運行約2個月后才開始出現(xiàn)大齒輪軸推力瓦溫度異常波動的現(xiàn)象，初步分析主推力面有可能發(fā)生了積碳（結(jié)焦）現(xiàn)象。止推軸承瓦塊積碳（結(jié)焦），使止推間隙減小，同時影響散熱，導(dǎo)致軸承瓦塊溫度高。因為溫度升高速度緩慢，溫度降低迅速，符合結(jié)碳特點，即結(jié)碳緩慢，積碳脫落迅速[2]。

根據(jù)生產(chǎn)物料平衡以及經(jīng)營安排，該裝置于2018年11月停車檢修。在此期間對膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)主推力面存在較嚴(yán)重的積碳（結(jié)焦）現(xiàn)象，積碳面積約為推力面積的30%，且未發(fā)現(xiàn)有明顯的油楔，即原設(shè)計的斜－平面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)磨損，未能正常形成油楔。

2.2 原因分析

通常情況下，可能導(dǎo)致軸瓦磨損的原因較多，比如轉(zhuǎn)子軸系裝配超差、推力盤變形或平面度異常、推力面光潔度超差、巴士合金質(zhì)量不合格、轉(zhuǎn)子軸向載荷過大、電化學(xué)腐蝕、軸瓦供油量不足、潤滑油品質(zhì)達(dá)不到要求、設(shè)計缺陷[3]等。

1）從異常情況發(fā)生的時間維度分析

由于大齒輪軸推力軸承溫度異?，F(xiàn)象是在機(jī)組經(jīng)過檢修穩(wěn)定運行2 個月后才開始出現(xiàn)，通過故障樹分析法，可初步排除轉(zhuǎn)子軸系裝配超差、推力盤變形或平面度異常、推力面光潔度超差、巴氏合金質(zhì)量不合格的問題。

2）從機(jī)組日常運行管理的角度分析

結(jié)合現(xiàn)場檢查以及潤滑油質(zhì)量定期監(jiān)測，該裝置空壓機(jī)組潤滑油于2018年3月更換，定期監(jiān)測分析潤滑油質(zhì)量較為穩(wěn)定（見表2 所示），均未超出《L-TSA汽輪機(jī)油換油指標(biāo)》（NB/SH/T 0636－2013）的技術(shù)要求。機(jī)組潤滑油供油溫度保持在40 ～44℃，相對穩(wěn)定，膨脹機(jī)側(cè)潤滑油總管供油壓力穩(wěn)定為0.13 MPa，油溫、油壓均未出現(xiàn)大幅波動的情況。因此，基本上可以排除潤滑油品質(zhì)達(dá)不到要求、機(jī)組軸瓦供油量不足的問題。

表2 機(jī)組潤滑油質(zhì)量分析數(shù)據(jù)

3）從停機(jī)檢查的情況分析

推力軸承推力面的磨損、積碳情況并不符合電化學(xué)腐蝕的特征，未出現(xiàn)電蝕凹坑以及“麻點”現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查機(jī)組靜電接地碳刷、靜電接地線均接觸良好，電阻值為0.8～2.6Ω，均符合不超過4Ω的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，基本上可以排除電化學(xué)腐蝕的可能性。

4）從機(jī)組布置結(jié)構(gòu)角度分析

由于大齒輪軸系是相對獨立的系統(tǒng)，尾氣經(jīng)過一、二級做功膨脹后，將熱能轉(zhuǎn)化為大齒輪軸的動能，通過壓縮機(jī)－膨脹機(jī)之間的聯(lián)軸器以扭矩輸出的形式，將軸功率輸入到壓縮機(jī)。根據(jù)壓縮機(jī)的運行狀況，汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)始終處于軸功率動態(tài)平衡的狀態(tài)。

從壓縮機(jī)向膨脹機(jī)方向看，大齒輪軸為逆時針方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)理論力學(xué)原理，對大齒輪軸受力作定性分析，正常運行情況下，推力軸承主推力面承受的軸向推力最大，該區(qū)域形成的油膜載荷最大，產(chǎn)生的熱量最高，為此主推力瓦溫相對較高，與實際情況一致。

由于膨脹機(jī)一級入口壓力為0.97～1.05 MPa，溫度為175℃，為兩級加熱設(shè)計，二級出口壓力為0.2～0.32 kPa，溫度為35～42℃，工藝條件均在設(shè)計范圍內(nèi)，且壓縮機(jī)運行也較為穩(wěn)定，結(jié)合機(jī)組歷史運行情況，可初步排除轉(zhuǎn)子軸向載荷過大的問題。

5）大齒輪軸徑向推力軸承的結(jié)構(gòu)分析

發(fā)現(xiàn)大齒輪軸推力軸承設(shè)計存在兩個問題：一是推力軸承推力面與大齒輪軸推力盤間形成的供油油膜為二次油，即由于沒有單獨的推力軸承供油油路，推力軸承的供油為徑向軸承使用后的潤滑油，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動作用下進(jìn)入推力軸承與推力盤間形成油膜；二是回油U形槽為封閉結(jié)構(gòu)，做功后的熱油無法及時順暢的將熱量帶走。

如果能通過合適的方法，將推力軸承尤其是主推力面的供油方式改為一次油，降低潤滑油供油溫度，并且將做功后的熱油及時順暢排出，在機(jī)組其他參數(shù)保持穩(wěn)定的情況下，有效降低主推軸承溫度。

3 解決措施

為降低主推力軸承工作溫度，經(jīng)過與沈鼓進(jìn)行充分討論評估，從降低主推力軸承供油溫度和增大熱油回油量兩個方面做改進(jìn)，結(jié)合斜－平面扇形固定推力軸承的結(jié)構(gòu)特點和實際情況，對主推力軸承U形槽作進(jìn)一步優(yōu)化（如圖3所示）。

受結(jié)構(gòu)布局的限制（主要中分面有螺栓孔、銷孔等），為最大限度降低主推力軸承供油溫度，只能增大一次油進(jìn)油量。因此需對主推力軸承上、下瓦對稱3 個U 形槽開6-Φ4 的通孔，并且與主進(jìn)油槽相通。同時，以主推力軸承面為靜止參考面，則推力盤的回轉(zhuǎn)方向為逆時針回轉(zhuǎn)，在楔形角的作用下，最終的熱油匯集至U形槽，在驅(qū)動勢能的作用下向外側(cè)溢出，這就需要適當(dāng)降低外溢阻力，確保在油膜剛度穩(wěn)定形成的前提下，熱油可以順暢外溢及時帶走產(chǎn)生的熱量。因此需要在主推力面12個U形槽頂部均增加卸油槽，通過計算需設(shè)定卸油槽角度為60°，深度為2 mm的等邊V形槽。

圖3 推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化

V 形槽增設(shè)位置位于斜－平面扇形固定軸承U形槽頂部，該部分主要為巴氏合金層，增設(shè)V形卸油槽主要目的是降低外溢阻力，增大熱油外泄量，促使高溫?zé)嵊图皶r排入齒輪箱體，因此根據(jù)《離心式空氣壓縮機(jī)維護(hù)檢修規(guī)程》（SHS 01018－2004）的相關(guān)要求，在加工過程中V 形槽不得出現(xiàn)裂紋、剝落、劃痕以及毛刺，表面粗糙度為Ra0.8[4]。

可增加單位供油面積：

A＝πr2＝3.14×（4/2）2＝12.56（mm2）

單位U形槽開卸油V形槽面積為：

因此，根據(jù)上述計算可得：

主推力軸承可增加總供油面積為：

As＝6A＝6×12.56＝75.36（mm2）

主推力軸承V形卸油槽總面積為：

Ao＝12A1＝12×2.31＝27.72（mm2）

由上式可得：As＞Ao

即相較于原推力軸承的設(shè)計條件，在增加冷油單位供油面積的同時也增大了熱油的卸油面積，可降低卸油阻力，理論上可實現(xiàn)主推力軸承運行溫度降低的目的。

4 效果驗證

通過對膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承備件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并且利用2018 年11 月裝置停車檢修的契機(jī)進(jìn)行了更換，檢查大齒輪軸徑向軸承配合間隙和推力間隙在設(shè)計范圍內(nèi)，其他各部位復(fù)核均滿足安裝技術(shù)要求。

機(jī)組在2019 年2 月開車運行以來，膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承溫度一直保持穩(wěn)定，溫度測點TI-1146A/B溫度值分別保持在62、68℃左右。改造前后，主推力軸承溫度TI-1146A/B 分別同比下降約38、48℃，符合理論預(yù)期。

5 結(jié)論

1）推力軸承溫度長期高于95℃時，應(yīng)引起重點關(guān)注，因為在這個溫度范圍內(nèi)，極易在巴氏合金層面發(fā)生積碳、結(jié)焦現(xiàn)象，由此會導(dǎo)致軸承溫度進(jìn)一步升高，甚至?xí)霈F(xiàn)巴氏合金軟化、遷移，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)燒瓦的情況。

2）在保證推力軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計不變的前提下，結(jié)合具體實際運行情況，通過適當(dāng)改進(jìn)潤滑油供油方式以降低熱油卸油阻力，可改善單位油膜的形成，有效提升大齒輪軸主推力軸承的運行可靠性。

3）在化工生產(chǎn)過程中，設(shè)備管理尤其是大型機(jī)組設(shè)備涉及到的專業(yè)比較多，遇到技術(shù)問題往往需要從工藝、電氣、儀表、機(jī)械等不同的專業(yè)角度進(jìn)行綜合性分析，以設(shè)備全壽命周期要素管理為切入點，提升問題分析的針對性和有效性，以提升設(shè)備運行本質(zhì)安全可靠。