推力軸瓦手工偏心改造的實(shí)踐應(yīng)用

華迪冠(中石化鎮(zhèn)海煉化機(jī)動(dòng)部，浙江 寧波 315207)

1 問題的提出

丙烯制冷壓縮機(jī)GB501是由沈陽透平機(jī)械股份公司(原沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠)制造的水平剖分型離心壓縮機(jī)3MCL1506(2010年投入生產(chǎn)運(yùn)行)；推力軸承采用WAUKESHA BEARINGS，設(shè)計(jì)正常轉(zhuǎn)速為2 918 RPM，共有6個(gè)葉輪為同向布置，介質(zhì)為丙烯；機(jī)組總壓差較高(進(jìn)口壓力為0.127 4 MPa出口1.806 9 MPa)且葉輪直徑較大(1 400 mm左右)，因此作用在每一級葉輪上的軸向力較大。機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)加了平衡鼓，確保穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)的殘余軸向力，但在變工況運(yùn)行時(shí)軸向力易出現(xiàn)不穩(wěn)定，機(jī)組開工初期因工況波動(dòng)較大推力瓦溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)：2014年第一次停機(jī)檢修解體時(shí)發(fā)現(xiàn)推力瓦塊表面出現(xiàn)較明顯的熱裂紋(機(jī)組在開機(jī)初期工況波動(dòng)較大時(shí)推力軸承溫度變化幅度較大，運(yùn)行中工藝調(diào)整時(shí)推力軸承溫度也會出現(xiàn)較大的波動(dòng)幅度)，因此認(rèn)為該機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)該推力軸承承載能力足夠穩(wěn)定運(yùn)行；但在在變工況(包括開、停機(jī))時(shí)推力軸承易出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是在開機(jī)工況調(diào)整頻繁時(shí)，此時(shí)推力瓦表面溫度較高，受損概率增大。由于工況調(diào)整需求或多次開停機(jī)，容易造成軸瓦表面磨損、疲勞點(diǎn)蝕等失效現(xiàn)象，致使軸瓦的承載能力下降甚至出現(xiàn)裂紋、斷裂等嚴(yán)重現(xiàn)象。因此要從如何穩(wěn)定油漠著手來降低該推力軸瓦的表面溫度防止軸瓦合金出現(xiàn)裂紋著手，需要對該機(jī)組的推力軸承進(jìn)行適當(dāng)改造來提高推力軸承的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 軸瓦表面損傷情況

該機(jī)組推力軸承為WAUKESHA BEARINGS系列中心支點(diǎn)可傾瓦推力軸承，在工況大幅度調(diào)整時(shí)推力瓦塊溫度波動(dòng)幅較大(特別是2010年機(jī)組首次開機(jī)初期波動(dòng)接近10°左右)，但在正常工況時(shí)推力瓦塊溫度波動(dòng)較小，在2014 年首次解體時(shí)發(fā)現(xiàn)主推力瓦塊表面出現(xiàn)明顯的熱裂紋(方向在出油邊)如圖1所示。檢查各瓦面、瓦塊支點(diǎn)及上下水準(zhǔn)塊接觸面未見明顯磨損。

圖1 丙烯壓縮機(jī)2014年檢修解體時(shí)主推力瓦塊圖片

3 推力瓦塊產(chǎn)生熱裂紋原因

針對主推力瓦塊存在過熱損傷、瓦面已出現(xiàn)明顯的熱裂紋的情況，可以確認(rèn)軸瓦受損時(shí)瓦面溫度很高，流經(jīng)的潤滑油不足以帶走產(chǎn)生的熱量，而丙烯壓縮機(jī)組采用的推力軸承(WAUKESHA BEARINGS)系中心對稱支點(diǎn)的可傾瓦(如圖2所示)。按精典的力學(xué)模型不可能在工作狀態(tài)下形成穩(wěn)定的油楔——即傾斜。

圖2 丙烯壓縮機(jī)推力軸承圖

兩相對運(yùn)動(dòng)表面間要建立動(dòng)壓而保持連續(xù)油膜的條件(如圖3所示)是[1]：沿動(dòng)平板運(yùn)動(dòng)方向兩平板間隙量逐漸縮小，即由于動(dòng)平板的粘性剪切力作用將潤滑油自左側(cè)向右側(cè)帶動(dòng)，此時(shí)油膜動(dòng)壓高于環(huán)境壓力，沿x軸方向的油膜厚度及速度梯度變化如圖3中所示：對于左側(cè)油膜而言，此處厚度h＞h0，即，此時(shí)油膜動(dòng)壓隨著x軸正向增大；對于左側(cè)油膜而言，此處厚度h＜h0，即，此時(shí)油膜動(dòng)壓隨著x軸正向減少；可以推斷油膜動(dòng)壓在h=h0處最大。當(dāng)油膜動(dòng)壓沿x軸向的面積積分P與外部載荷F平衡時(shí)，軸承實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。從圖示來看要形成穩(wěn)定的油楔，推力瓦的進(jìn)油邊到支點(diǎn)的距離要大于出油邊的距離。

圖3 相對運(yùn)動(dòng)表面間要建立動(dòng)壓而保持連續(xù)油膜的條件

因此對稱支點(diǎn)的推力瓦塊很難在正常運(yùn)行狀態(tài)下形成有效的油楔。雖推力瓦塊為球形支點(diǎn)，理論上球形支撐會隨著瓦塊的傾斜而發(fā)生偏移，即難以形成對稱支撐。對于對稱支點(diǎn)而言，進(jìn)出油邊面積相同，由于出油側(cè)存在磨擦力導(dǎo)致總力矩就要大于進(jìn)油邊側(cè)的力矩。由于潤滑油的粘性作用提高了其抗剪切能力，少量潤滑介質(zhì)受推力盤摩擦力作用進(jìn)入工作面，從而起到冷卻潤滑作用。據(jù)金斯泊雷(Kingsbury)和沃克莎(Waukesha)介紹：對稱支點(diǎn)推力瓦能承載的另一個(gè)原因是由于軸承的變形，也會產(chǎn)生承載的必要油楔[2]。

綜上所述，機(jī)組在開停機(jī)、變工況調(diào)整操作下軸瓦容易產(chǎn)生殘余軸向力，以及對稱支點(diǎn)瓦面進(jìn)油量相對較少是引起丙烯壓縮機(jī)推力瓦塊表面溫度過高、出現(xiàn)熱裂紋甚至疲勞開裂的主要原因。

4 推力瓦塊改造對策

可傾瓦推力軸承穩(wěn)定油膜形成過程如圖4所示(為了能使瓦穩(wěn)定，進(jìn)、出油側(cè)的油膜反力及相對旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力對支點(diǎn)產(chǎn)生的力矩必須平衡，而在可傾瓦推力軸承的設(shè)計(jì)中為了能保持穩(wěn)定的油膜，對支點(diǎn)位置的選擇上有一定的要求，一般情況下LP/L=0.55～0.60)，在同樣的承載面積下，偏心支撐的推力瓦可提高承載能力20%，瓦面溫度可下降10%左右。

因此決定根據(jù)油楔形成原理對該瓦進(jìn)行改進(jìn)處理：增大油楔作用面積，改善其力學(xué)性能的同時(shí)還可以增大潤滑油的進(jìn)入量，對軸瓦表面進(jìn)行冷卻潤滑。

從圖4偏心瓦塊的油膜形成原理可以看出：將對稱瓦塊出油邊的結(jié)構(gòu)改造成斜面，此時(shí)出油邊不再承受載荷，整個(gè)軸瓦出油邊的面積減少，瓦塊工作時(shí)受到進(jìn)出油邊不同承載面積產(chǎn)生的總力矩(兩邊的油膜比壓不同)作用，繞支點(diǎn)發(fā)生偏心轉(zhuǎn)動(dòng)形成斜面油楔，進(jìn)而改善進(jìn)油條件。

圖4 可傾瓦穩(wěn)定油膜形成示意

對推力瓦塊進(jìn)行手工偏心改造時(shí)要切削掉部分承載面積，出于穩(wěn)妥考慮按出油邊刮削掉總承載面積的5%(進(jìn)口邊到支點(diǎn)的位置約為0.526，雖離可傾瓦推力軸承的常規(guī)設(shè)計(jì)LP/L=0.55～0.60還有一定的偏差，但對改狀況進(jìn)油降瓦面溫度也已足夠)。推力瓦塊手工改造如下圖5推力瓦塊手工偏心改造示意圖及刮削后瓦塊。

圖5 推力瓦塊手工偏心改造示意圖及刮削后瓦塊

5 效果

2014年檢修后丙烯壓縮機(jī)一次投用正常，在開機(jī)過程和工況波動(dòng)時(shí)推力瓦塊溫度波動(dòng)幅度有明顯下降。18年大修再次解體發(fā)現(xiàn)該推力瓦塊表面出油邊側(cè)只有輕微結(jié)焦(瓦面完好)如圖6所示。檢修時(shí)只對瓦塊表面進(jìn)行清潔處理也沒有更換處理，檢修后投用正常。

圖6 手工偏心改造運(yùn)行一個(gè)周期(4年)后推力瓦塊瓦面情況

6 結(jié)語

在對丙烯壓縮機(jī)組的推力瓦進(jìn)行檢修的過程中，為了使推力軸瓦的力學(xué)結(jié)構(gòu)更優(yōu)，通過潤滑油使進(jìn)入軸瓦表明效果更佳，進(jìn)而降低表面溫度避免潤滑油過熱失效；同時(shí)通過手工刮削的方法改造推力瓦，對其進(jìn)行微偏心處理，形成偏支點(diǎn)瓦，既增加了軸承的運(yùn)行穩(wěn)定性又提高了使用壽命。相關(guān)改進(jìn)思路與方法也為對稱支點(diǎn)推力瓦同類型故障排查與優(yōu)化改造提供了參考。

進(jìn)一步改造方案：可在不改變軸瓦承載面積及安裝方式，僅需改變瓦支點(diǎn)位置(如圖7所示)。來達(dá)到更好的承載效果。

圖7 推力軸瓦中心支點(diǎn)改偏支點(diǎn)示意圖