石蠟加氫原料泵軸承故障分析

□ 游恩杰 □ 王 曦 □ 蔣文恂

1.中石化荊門分公司 湖北荊門 448039 2.上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200444

1 故障情況

石蠟加氫原料泵是化工加氫裝置中輸送原料石蠟的重要部件,出口壓力達6 MPa及以上,石蠟溫度一般為100 ℃左右[1]。石蠟加氫原料泵的工況不利于原料泵齒輪箱軸承的潤滑,潤滑不良往往會導致軸承失效,引發停機,甚至發生事故[2-3]。中石化荊門分公司某石蠟加氫原料泵突然停機,同時引起相關機組連鎖停機。儀表信號顯示原料泵齒輪箱潤滑油壓力過低,引起石臘加氫原料泵停機。

原料泵齒輪箱潤滑油壓力過低會導致傳動系統潤滑不良,引起軸承、齒輪等傳動部件損傷,甚至引發事故。查明石臘加氫原料泵突然停機的原因,對確定設備維護周期、保障設備安全可靠運行極為重要。筆者對原料泵齒輪箱傳動系統進行了解體與觀查,以便查明故障原因,為避免故障再次發生提供技術參考。

2 高速輸出傳動軸情況

原料泵齒輪箱齒輪傳動結構如圖1所示。高速輸出傳動軸由滑動軸承支撐,帶動原料泵葉輪輸出石蠟。高速輸出傳動軸處的直齒輪齒形完好,高速輸出傳動軸表面局部有明顯的高溫燒灼變藍痕跡[4],痕跡接近高速輸出傳動軸與原料泵齒輪箱密封件接觸位置。高速輸出傳動軸及中間傳動軸的滑動軸承所對應的軸瓦表面及原料泵齒輪箱內部所有其它傳動部件表面均未觀察到高溫燒灼痕跡,說明停機前原料泵齒輪箱內未出現嚴重的潤滑不良情況。低速傳動軸為動力輸入端,主要輸入驅動動力,同時也用于帶動油泵為原料泵齒輪箱中的齒輪和軸承供給潤滑油。低速傳動軸斜齒輪的邊緣產生較為嚴重的斷裂和破損,且低速傳動軸的滾動軸承產生了嚴重破損。

▲圖1 原料泵齒輪箱齒輪傳動結構

原料泵齒輪箱高速輸出傳動軸軸端密封件如圖2所示,可以看出密封件損傷嚴重,端面有破損缺口,這一缺口的出現造成齒輪箱與原料泵中的石蠟連通。由于輸送中的石蠟溫度較高,且處于高壓狀態,因此密封件缺口使石蠟進入溫度和壓力較低的齒輪箱[5]。石蠟經密封件缺口進入齒輪箱后,由于溫度降低而固化,使潤滑油的流動性大幅降低,導致齒輪箱潤滑油管道不暢、油壓降低,進而連鎖停機[6]。

▲圖2 高速輸出傳動軸軸端密封件

3 低速傳動軸情況

原料泵齒輪箱低速傳動軸由兩個滾動軸承支撐,對齒輪箱中損壞的滾動軸承進一步解體分析,如圖3所示。由圖3可見,低速傳動軸非驅動輸入端的滾動軸承保持架完全破碎,主要為脆性斷裂,只有個別碎塊被擠壓變形。另一方面,滾動軸承滾動體表面損傷明顯,并有兩個滾動體斷裂為兩半。

▲圖3 滾動軸承解體分析

滾動軸承滾動體如圖4所示。由圖4可見,滾動體表現為典型脆性斷裂,斷裂面內無明顯磨損,斷裂面邊緣較為圓滑,說明受到較大的沖擊或磨損。滾動體球面剝落區域較多,特別是兩個斷裂的球面剝落最為嚴重,球面的磨損與變形也較嚴重。

▲圖4 滾動軸承滾動體

為進一步分析滾動軸承滾動體斷裂的原因,對斷裂滾動軸承滾動體剝落區域附近的未剝落部分進行電子顯微鏡掃描觀察,如圖5所示。由圖5可見,未剝落區域邊緣的滾動體表面層有明顯翹起現象,未剝落區域內有數條長短不一、方向各不相同的裂紋,說明疲勞破壞引起了滾動體表面裂紋的產生與擴展,并最終導致部分區域表面發生剝落。裂紋產生并向深度方向擴展延伸,引起滾動體脆性斷裂。

▲圖5 滾動軸承滾動體電子顯微掃描照片

雖然大部分碎裂的滾動軸承保持架邊緣整齊,屬于典型的脆性斷裂,且無磨損痕跡,但是也有個別碎片有嚴重扭曲變形,說明這些碎片經歷了較嚴重的擠壓,這與滾動軸承滾動體表面的嚴重磨損和變形相符。由于擠壓磨損過程時間較短,影響到的滾動體和保持架均較少。

滾動軸承內外圈如圖6所示。檢查發現,滾動軸承內圈滾道的2/3區域發生剝落或磨損,并伴有軸向凹槽,滾道兩側的剝落比滾道中間區域更為嚴重。滾動軸承內圈右側滾道未發生剝落,或磨損區域較為光滑,無可見損傷。

▲圖6 滾動軸承內外圈

滾動軸承外圈滾道剝落集中發生于約1/3區域,伴有軸向凹槽,其它區域表面光滑,無剝落或磨損發生。發生剝落區域應為滾動軸承外圈的承載區域。內外圈滾道內的軸向凹槽與斷裂滾動軸承滾動體斷面邊緣較圓滑,與受到較嚴重沖擊或磨損現象相符。內圈滾道的剝落區域寬度、凹槽長度遠大于外圈滾道,說明滾動軸承承受了較大的軸向載荷,產生了較大的軸向振動。軸向振動無疑會加劇對密封件的沖擊損傷,這與密封件出現破損缺口的現象相符。

滾動軸承外圈滾道的1/3區域和內圈滾道的整個區域為承載區,從內外圈滾道均有未剝落或磨損的情況可以推斷,設備停機前滾動軸承未出現嚴重潤滑不良問題。從原料泵齒輪箱齒輪傳動結構的受力角度分析,低速傳動軸滾動軸承承受的載荷最大,且滾動軸承尺寸規格較小,承載能力相對較弱,在大載荷工況下易損壞。滾道剝落或磨損歸因于滾動體斷裂及斷裂邊緣對滾道的沖擊作用。另一方面,滾動體斷裂后運行的時間較短,從而使部分內圈滾道免于被斷裂的滾動體或保持架沖擊,未造成進一步剝落或損傷。

4 原料泵齒輪箱振動分析

振動是滾動軸承失效的重要原因之一,滾動軸承失效又會導致原料泵齒輪箱振動加劇[7]。在石臘加氫原料泵運行過程中進行振動檢測,數據顯示正常運行過程中的振動烈度一般為2.5左右,但從原料泵突然停機的26 d前開始,振動烈度增大為4左右,且隨后的26 d內振動一直在加劇,具體為7 d后增大至4.3,14 d后增大至4.5,21 d后增大至4.9。檢測數據說明,石臘加氫原料泵突然停機前振動已相當劇烈。石臘加氫原料泵的劇烈振動將急劇加大滾動軸承承受的動態載荷,容易引起表面沖擊塑性變形、滾動軸承滾道破壞和滾動體表面損傷。

從振動檢測數據可以看出,石臘加氫原料泵的振動有逐步加劇過程,而不是突然加劇。結合滾動軸承滾動體、內外圈滾道及保持架的損傷情況,可以認為振動加劇后進一步加大了滾動軸承的沖擊載荷,使滾動體表面產生疲勞裂紋,裂紋的擴展和延伸造成滾動體表面剝落甚至斷裂,剝落區域和斷裂滾動體邊緣對滾動軸承滾道和保持架造成破壞,特別是斜齒輪運行導致的軸向振動使保持架、內圈及密封件受到的沖擊損傷更為嚴重。

高速輸出傳動軸軸端密封件由于軸系振動大而與軸產生碰撞和磨損,導致密封失效,使石蠟流入溫度、壓力較低的原料泵齒輪箱。初期流入的石蠟混入潤滑油,使潤滑油的流動性變差,導致潤滑油管道堵塞,并引發潤滑油低油壓報警和連鎖停機[8]。后續流入的石蠟發生固化,并停留在密封件附近,造成該區域的潤滑油斷供,使高速輸出傳動軸與密封處發生嚴重潤滑不良,引起高溫燒傷現象。

5 解決方案

通過對故障原料泵齒輪箱進行拆解觀察分析,結合石臘加氫原料泵運行過程中的振動檢測數據,判斷低速傳動軸滾動軸承規格較小,實際滾動軸承承受的載荷較大,長時間運行導致低速傳動軸滾動軸承疲勞損傷而產生裂紋,特別是滾動體表面產生的裂紋逐漸擴展導致剝落,引起振動加劇。振動使滾動軸承的沖擊載荷增大,即接觸表面的沖擊力增大,在不斷沖擊下,滾動體表面的微裂紋向內部擴展,造成滾動體破裂。破裂邊緣產生應力集中,對滾道造成沖擊,并引起滾道表面材料變形與剝落,同時使振動加劇,破裂的滾動體在大載荷振動工況下進一步發生斷裂[9]。在此過程中,斷裂的滾動體不僅造成滾道嚴重損傷,而且使保持架發生破碎,使振動進一步加劇,并造成密封失效,最終引起停機。

針對這一石蠟加氫原料泵故障,筆者提出的解決方案是選擇承載能力較強的低速傳動軸滾動軸承,并加大相應的軸肩尺寸。更為全面的解決方案是對原料泵齒輪箱的軸系靜載荷和動載荷進行分析,選擇具有更大徑向和軸向承載力的滾動軸承,同時改進石臘加氫原料泵轉子的運行性能,包括轉子動平衡等。在石臘加氫原料泵運行過程中跟蹤檢測振動數據,對振動突然加劇進行早期干預,及時停機檢查滾動軸承損壞情況,避免嚴重事故發生。

6 結束語

筆者針對中石化荊門分公司某石蠟加氫原料泵因油壓過低而引起連鎖停機故障,對原料泵齒輪箱進行拆解觀察分析。通過對原料泵齒輪箱軸承破損件、密封損壞件、齒輪損壞件,以及石臘加氫原料泵轉子表面情況進行分析,確認了原料泵齒輪箱低速傳動軸滾動軸承先期損壞導致密封部件損壞的原因。振動檢測數據也從側面驗證了分析結論。