螺桿泵軸承燒毀與潤滑脂殘留量的關系

邢智(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

0 引言

當前，螺桿泵在石油化工領域中應用十分廣泛，涉及到液體流動的問題，都會利用螺桿泵完成作業。近幾年來，隨著現代技術發展水平不斷提升，螺桿泵的應用范圍和適用領域也在不斷擴大[1]。但將螺桿泵應用于實際石油化工作業當中時，常常會出現負荷運行時間還未達到標準要求時，便出現了軸承燒毀現象。同時，在螺桿泵使用過程中，由于潤滑脂量的存在影響導致螺桿泵軸承燒毀。因此，對螺桿泵軸承燒毀的原因分析中，潤滑脂殘留量是其中關鍵。需要對螺桿泵軸承內部的滑脂殘留量進行控制和調整，降低螺桿泵軸承燒毀出現的概率具有重要意義[2]。為此，該領域研究者對其進行了很多研究，并取得了一定成果。

文獻[3]提出設計一種新的耐高溫自潤滑耐磨低速滾動軸承，用于螺桿泵中。設計的新型滾動軸承中考慮了高溫潤滑脂對軸承的性能影響。該文章分析了低速滾動的軸承在運行中，潤滑脂被甩出后軸承的潤滑作用下降的原因。并在此基礎上，將軸承運行的環境進行改善，合理設置軸承中潤滑脂的儲存量，提升了軸承滾動的效果。該文設計的自潤滑耐磨低速滾動軸承可在高溫環境下良好的運行，但長時間的運行中潤滑脂的量調控存在一定局限。

基于此，本文為降低螺桿泵軸承燒毀的概率，確保其能夠具備更高質量運行。本文以某部門新裝螺桿泵P151為例，針對其斷裂問題進行研究。P151螺桿泵是新裝設備，軸承燒毀的主要表現在保持架的扭曲斷裂。通過分析保持架的結構形式是否適用潤滑脂環境，軸承是否在運行時期超越承載能力運行以及軸承是否來自正規貨源，完成螺桿泵軸承燒毀與潤滑脂殘留量關系分析。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

本文選擇以某部門新裝螺桿泵P151為例，P151螺桿泵是新裝設備，將其作為實驗對象，針對該螺桿泵在實際應用中的具體情況以及相關參數進行分析，找出影響其出現燒毀現象的重要影響因素。分析該設備保持架結構形式是否適用潤滑脂環境，軸承是否在運行時期超越承載能力運行以及軸承是否來自正規貨源。P151螺旋泵轉速可達4 000 r/min，流量為25 m3/h，揚程為65 m，電機功率為7.5 kW，汽蝕余量為3.5 m，效率為62%，工作介質為清水與潤滑脂。

1.2 材料與設備

實驗過程中所需的材料主要為用于對P151螺桿泵軸承潤滑的潤滑脂，本文選用CG-452型號合成潤滑脂，該型號潤滑脂在實際應用中具備良好的耐熱性和耐磨損性能。因此，能夠確保在實驗過程中不會由于潤滑脂性能問題而造成對實驗結果的干擾[4]。實驗過程中需要利用計時器對螺桿泵的旋轉時間進行記錄，采用SJF49-9522型號單片機計時器。

1.3 實驗方法

利用上述選擇的材料和設備，實驗過程中，在P151螺桿泵的63052RZ球軸承上利用兩面帶非接觸式橡膠進行密封，將轉速設置為3 600 r/min，徑向負荷設置為9 N，保證周圍環境溫度為60 ℃的情況下完成實驗。同時，為防止旋轉過程中出現結構磨損問題，影響后續實驗結果，選擇稠度為275 mm2/s(40 ℃)的潤滑脂對螺桿泵進行潤滑。在螺桿泵正常工作環境當中，另P151螺桿泵開始運行，并在其運行過程中觀察P151螺桿泵軸承保持架的變化情況[5]。同時，在實驗過程中，分別設置1 h、5 h、22 h、100 h和1 000 h，共五種不同旋轉時間，觀察在不同旋轉時間條件下P151螺桿泵潤滑脂殘存量，為后續對潤滑脂殘存量與螺桿泵軸承燒毀之間的關系分析提供數據基礎[6]。分別在P151螺桿泵不同位置上設置多個監測點，對其變化情況進行監測。

2 實驗結果分析

結合上述實驗方法，在完成實驗后，將相關數據進行記錄，實驗過程中發現P151螺桿泵出現前端軸承箱冒煙故障。由于該泵為新安裝設備，且首次運行不足1小時即出現軸承燒毀的現象，屬于非正常現象，遂對此進行分析[7]。在拆卸過程中，軸承表面幾乎沒有殘留潤滑脂，潤滑脂大都在軸承箱壓蓋上和后端骨架密封處殘留，從殘留量和旋轉時間上來分析，潤滑脂在運行前滿足標準。

在對該螺桿泵進行檢修時發現，前端軸承燒毀，保持架扭曲且斷裂，如圖1所示。

圖1 螺桿泵軸承保持架斷裂圖

從圖1螺桿泵軸承保持架斷裂圖可以看出，將燒毀軸承拆除，發現保持架斷裂脫落，軸承滾珠已經全部掉落；檢查發現保持架斷裂的位置均發生在保持架自身的淺槽位置，如圖2 所示。

圖2 保持架淺槽位置

根據上述得到的螺桿泵軸承保持架斷裂結果，本文在實驗過程中記錄不同旋轉時間條件下潤滑脂殘存量，相關數據如表1所示。

表1 旋轉時間和潤滑脂殘存量關系表 單位：%

表1 中P1表示為初次填充量為17%時的潤滑脂殘存量；P2表示為初次填充量為35%時的潤滑脂殘存量；P3表示為初次填充量為50%時的潤滑脂殘存量；P4表示為初次填充量為100%時的潤滑脂殘存量。

針對上述實驗現象進行分析得出，實驗中潤滑脂殘存量以及初次的填充量均為合理范圍之內，在不同旋轉時間的測量后發現，保持P151螺桿泵軸承正常運行需要將軸承中潤滑脂殘存量保持在該范圍之內，這樣可以降低P151螺桿泵軸承出現燒毀的概率，演唱螺桿泵軸承使用的壽命。與此之外，可能導致軸承保持架損壞的原因還包括以下六點：

第一，保持架扭曲斷裂是軸承潤滑不良導致；第二，保持架扭曲斷裂是保持架超負荷導致；第三，螺桿泵軸承結構上清潔度沒有達到標準要求，并且在軸承箱內部沒有形成良好的密封空間，存在大量粉塵進入到軸承內部，導致保持架與滾動體的磨損進一步加劇，進而造成保持架損壞；第四，安裝問題，軸承在安裝時不正確；第五，聯軸器不對稱導致；第六，軸承本身存在質量問題。

3 實驗結果討論

為進一步驗證上述實驗結果的原因是否正確，本文將針對上述六種不同現象進行分析。首先針對第一論點，保持架扭曲斷裂是軸承潤滑不良導致進行分析：潤滑脂潤滑不良分兩點：一是設備出廠時潤滑脂添加量不足；二是實際工作時潤滑脂沒有起到潤滑作用。在拆卸過程中，軸承表面幾乎沒有殘留潤滑脂，潤滑脂大都在軸承箱壓蓋上和后端骨架密封處殘留，從殘留量和旋轉時間上來分析。結合上述表1中的內容，潤滑脂在運行前應該滿足標準。再根據軸承型號3316 A，取來相同型號相同廠家的3316A軸承，發現其保持架的形式存在區別，舊軸承的保持架為浪型保持架，而新軸承的保持架為框式保持架。由于潤滑脂在應用到螺桿泵當中由于慣性作用被甩出軸承。因此，在旋轉的過程中僅僅能夠依靠殘存在保持架橫條結構上的潤滑脂起到潤滑作用。殘留在橫條上的潤滑脂，由于受到保持架的剪切作用，析出潤滑油，對滾珠進行潤滑。而影響潤滑油析出的主要因素包括：速度、溫度、工作時間潤滑脂的剪切力、潤滑脂的黏著力(對保持架)、以及保持架的設計。圖3為潤滑脂工作原理示意圖。

圖3 潤滑脂工作原理示意圖

從兩者保持架的結構區別來分析：浪型保持架在滾珠旋轉時，由于橫條較短，與滾珠配合緊密，容易隨著滾珠甩出，導致潤滑脂得不到循環，開始形成的油膜消失后，潤滑脂得不到剪切力作用，析不出潤滑油，滾珠得不到好的潤滑，滾珠與滾道產生摩擦，摩擦產生的熱量由于缺少有效潤滑脂，導致軸承溫度升高，而框式保持架在軸承運行時，不會將潤滑脂全部擠出軸承，框式的設計，使橫條上保有一部分潤滑脂，保證了軸承在正常運行中，始終存在潤滑脂。從兩者保持架的材質分析：新軸承保持架的材質為尼龍，損壞軸承保持架的材質為鋼，鋼保持架運行溫度較高，有較好的防振抗加速性能，但是對于不良潤滑比較敏感；尼龍保持架具有良好的滑動性和自潤滑性，軸承溫升小等特點，但使用溫度受限不能超過120 ℃，設備正常運行時軸承溫度在45～50 ℃。

從以上兩點來分析，浪型保持架在結構上無法使潤滑脂循環起來，軸承運行時，由于潤滑脂的擠出，潤滑量不足，再加上鋼保持架對于不良潤滑敏感是造成軸承燒毀的原因之一。

其次，針對第二論點，保持架扭曲斷裂是保持架超負荷導致：導致保持架斷裂的原因主要為保持架所受負荷超過保持架可以承受的范圍。從保持架上明顯的淺槽可以看出，在軸承使用時，該處容易集中應力，且從損壞的軸承保持架也可以看出，斷裂均發生在該處。同時，在實驗過程中發現，舊軸承當中存在裝球缺口，該螺桿泵與沒有裝球缺口的螺桿泵軸承相比能夠增加一個滾珠，因此進一步加大了螺桿泵軸承的承載能力。同時，由于該設備是雙吸雙螺桿泵，軸向力相對比較小，但實際泵啟動時，可能介質中存在部分氣體或者兩臺泵同時啟動存在搶量現象，存有部分軸向力，但起泵階段的軸承負荷應在軸承可以承受的范圍內，不作為導致軸承燒毀的主要因素。

再次，針對第三論點，有雜質進入軸承即破壞了油膜，導致保持架和軸承加速磨損。從結構上分析：軸承箱后端由骨架油封作為密封，前端有軸承壓蓋，加之軸承箱內有潤滑脂的填充，雜質不容易進入軸承箱即時進入，油膜的破壞和軸承的磨損也不足以使之運行不足1小時候出現嚴重的燒毀，因此判斷雜質進入軸承的影響因素可以暫時忽略。圖4為油膜破壞原理示意圖。

圖4 油膜破壞原理示意圖

根據論點四、五在解體檢修時，經過復查沒有發現明顯的安裝問題。最后，針對第六個論點，軸承本身存在質量問題進行分析：軸承包裝盒上的標識204D，D代表該軸承為2007年生產，距2019年近13年，該軸承存放時間較久。根據軸承的儲存與防銹規范得知，軸承內包裝的防腐期有短期，一般和長期之分，其中長期的包裝為2年，與13年相距較大，該軸承在存放期間的保養不得而知，在設備出廠時軸承可能存在缺陷。另外，從螺桿泵軸承內部設置的多個監測點可以看出，螺桿泵軸承內部燒毀中，由于各點處所殘存的潤滑脂量不相同，且各點出油膜破壞程度也不同，這樣直接導致了螺桿泵軸承內部出現了不同程度的裂紋，久而久之導致螺桿泵軸承發生燒毀。因此，說明了螺桿泵軸承內部潤滑脂殘存量對P151螺桿泵的保護和運行具有重要影響。

4 結語

本文通過上述論述，完成對螺桿泵軸承與潤滑脂殘留量關系分析，以此來提升螺桿泵軸承的使用壽命。通過實驗結果和實驗過程中的相關結果表明，螺桿泵軸承內部潤滑脂殘留量是導致螺桿泵軸承燒毀的重要原因，將螺桿泵軸承內部潤滑脂殘留量根據一定比例進行合理調整，是保持螺桿泵軸承壽命的重要因素。因此，螺桿泵軸承在日常的維護與管理中需要多多關注潤滑脂的潤滑環境，降低螺桿泵軸承燒毀出現頻率。