機泵推力軸承受損原因分析及檢修要點探討

李迎麗，畢泗春，王紹鵬，李雯雯

（1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油遼陽石化分公司機動設(shè)備處，遼寧遼陽 111003；3.中國航空油料有限責任公司大連分公司，遼寧大連 116033）

0 引言

某公司240 萬噸/年渣油加氫裝置P104S 高壓貧氨液泵屬于多級雙支離心機泵，該機泵在運轉(zhuǎn)過程中使用振動監(jiān)測設(shè)備對軸承振動加速度進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)推力滾動軸承加速度測量值持續(xù)上升，而普通的徑向滑動軸承振動速度測量值未體現(xiàn)上升趨勢，判斷轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)暫時未出現(xiàn)問題，但軸承運轉(zhuǎn)情況不斷劣化。在振動加速度值超過低報警值后決定對該機泵報警位置滾動軸承進行檢查，同時檢查徑向支撐軸瓦潤滑磨損情況，發(fā)現(xiàn)滾動軸承存在磨損。對拆解的零部件受損情況進行分析，結(jié)合工藝及設(shè)備運轉(zhuǎn)情況提出檢修及維保方案，確保機泵的長周期運轉(zhuǎn)。

1 機泵結(jié)構(gòu)分析

該機泵型號DCS-80 135X12G，屬于BB5 結(jié)構(gòu)12 級高壓多級離心機泵，外部承壓殼體采用鍛造工藝，內(nèi)芯軸向剖分，平衡系統(tǒng)采用鼓盤聯(lián)合作用的平衡機構(gòu)，連通入口及出口的平衡管，有效控制“閃蒸”現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高自平衡能力，正常運行過程中軸承并不承受軸向力，可提高軸承的使用壽命。在軸承方案中采用前后徑向瓦滑動軸承作為徑向支撐，在非驅(qū)動端采用一對7313BECBM 角接觸球軸承背靠背安裝的方式作為轉(zhuǎn)子軸向定位。

2 檢修過程及故障判斷

在檢修過程中對非驅(qū)動端軸承箱進行檢查并更換軸承，徑向瓦未發(fā)現(xiàn)受損，徑向瓦間隙及預(yù)緊力在正常范圍內(nèi)，在拆解推力軸承并解體發(fā)現(xiàn)推力軸承一側(cè)軸承滾珠表面存在較多劃痕，軸承內(nèi)圈存在點蝕，如圖1 所示。分析潤滑油并未發(fā)現(xiàn)其他雜物，判斷軸承在運轉(zhuǎn)過程中軸向力過載造成疲勞磨損，磨粒繼續(xù)加大軸承的受損情況[1]。根據(jù)非驅(qū)動端軸承結(jié)構(gòu)，由推力軸承受軸向力，正常工況下并無軸向力產(chǎn)生，故判斷為平衡系統(tǒng)故障造成軸向力過大的現(xiàn)象，引起軸承損壞。

圖1 推力軸承磨損

3 平衡系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子軸向力的影響

離心泵軸向力的產(chǎn)生主要有2 個方面[2]：①葉輪前后兩側(cè)因液體壓力分布情況不同引起的軸向力，如輪蓋側(cè)壓力低、輪盤側(cè)壓力高，其方向為自葉輪背面指向入口；②液體流入和流出葉輪的方向和速度不同而產(chǎn)生的動反力，主要以前者為主，由機泵出口側(cè)指向吸入口側(cè)。

多級離心泵為了平穩(wěn)工況降低波動采用了平衡鼓盤的結(jié)構(gòu)[3]，本多級泵采用平衡鼓盤與平衡套之間組成平衡機構(gòu)，同時在外部使用平衡管連接入口及平衡盤的腔來調(diào)節(jié)平衡盤軸向推力，并在平衡管位置添設(shè)壓力表查看密封腔壓力。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示：平衡盤裝置中有2 個間隙，一個是由平衡套和軸套外圓形成的間隙b1，另一個是平衡盤與平衡環(huán)形成的軸向間隙b2，平衡盤后面的平衡室與泵吸入口連通。徑向間隙前的壓力是葉輪后泵腔的壓力P1，通過徑向間隙b1下降為P2，又經(jīng)過軸向間隙b2下降為P3，平衡盤后面的壓力為P4，由于平衡盤后面的平衡室通過平衡水管與泵吸入口聯(lián)通，P4就等于泵吸入口的壓力加平衡水管的管阻損失。吸入室的壓力很小，因此平衡盤前面的壓力P2遠大于后面的壓力P4，其壓差在平衡盤上產(chǎn)生平衡力F，以平衡作用在轉(zhuǎn)子上的軸向力A。

圖2 平衡盤受力分析

機泵運轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子受到從高壓側(cè)到低壓側(cè)的軸向力作用，由出口位置向泵吸入口方向移動，間隙值b2減小至平衡位置（0.1～0.2 mm），此時由于經(jīng)過平衡盤間隙b2的物料泄漏極少而導(dǎo)致P2增大，通過平衡管物料流失造成P4降低，在某一瞬間達到軸向力平衡。但是因為慣性作用，平衡盤繼續(xù)向前移動，超過了軸向力平衡的位置，P2更大，平衡力大于軸向力，轉(zhuǎn)子又要向出口方向運動。當b2增大到平衡位置時同樣不會立即停止，造成軸向力又大于平衡力，轉(zhuǎn)子又要向左運動。因此平衡盤的工作過程是處于運動平衡的過程，平衡是暫時的、相對的，而轉(zhuǎn)子的軸向位移反復(fù)波動是一直存在的[4]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，軸向力過大會直接引起推力軸承的疲勞磨損，嚴重的會造成轉(zhuǎn)子與定子之間的磨損和平衡盤的磨損。推力軸承的受損影響潤滑油性質(zhì)和溫度，從而影響非驅(qū)動端徑向軸瓦的潤滑，多級泵的徑向支撐的改變，嚴重影響機泵轉(zhuǎn)子與定子之間的各口環(huán)間隙和平衡鼓間隙，引起平衡盤與平衡套之間的同心度不合格，造成平衡盤的磨損與報廢現(xiàn)象。同時轉(zhuǎn)子因軸向力不平衡、軸向位移往復(fù)波動情況，還容易造成密封裝置因軸向沖擊引起彈簧微振、密封面預(yù)壓縮量提供緊力的波動損壞引起泄漏等現(xiàn)象。

4 平衡系統(tǒng)的檢修與裝配

零部件的拆卸檢查過程中，對影響轉(zhuǎn)子平衡的機構(gòu)位置、轉(zhuǎn)定子之間形位公差的因素進行逐項排查，分析診斷機泵受損原因，提出合理的檢修方案。

（1）查看平衡管壓力表情況，確認平衡管是否存在堵塞情況。如果平衡管堵塞將造成平衡盤無法平衡軸向力，加大主軸承的磨損程度，因此多級泵的結(jié)構(gòu)特點對物料的清潔程度要求較高，一般出現(xiàn)此種情況的可能性較低。

（2）確認徑向瓦是否存在磨損情況。徑向瓦的磨損將直接影響平衡鼓的徑向間隙，造成平衡鼓刮蹭，嚴重影響泄漏量磨損平衡鼓甚至造成轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動等惡劣現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)此種惡劣現(xiàn)象，多級泵的級間口環(huán)等其他部位也存在磨損的可能性，因泵廠零部件制作周期較長及對轉(zhuǎn)子定子同心度的要求和轉(zhuǎn)子動平衡精度要求，需返廠全部解體檢查后重新更換零件裝配，檢修周期過長，對裝置穩(wěn)定運行帶來一定隱患。

（3）檢查平衡鼓與平衡套之間的間隙b2。根據(jù)平衡盤的原理和圖2，設(shè)備軸向力基本是不存在的，排除前面列舉的因素后，正常運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子平衡盤與平衡套之間的間隙值b2對軸向力的影響成為主要因素，如圖3 所示[5]。拆卸過程中根據(jù)軸承磨損位置確認b2值與標準值之間的差距是過大還是過小，如果間隙過大則泄漏量過大，軸向力方向由出口指向入口側(cè)，主軸承受力磨損。

圖3 平衡力隨軸向間隙波動

在設(shè)備整體裝配過程中，首先調(diào)整轉(zhuǎn)子流道對中，確定轉(zhuǎn)子位置，吸入側(cè)竄量占總竄量的50%～60%；保證轉(zhuǎn)子流道對中情況下平衡鼓盤的軸向位置，降低流道動反力對軸向平衡的影響。此操作在機泵制造過程中進行，平衡盤無磨損的情況下不予檢修，但是仍需要檢查流道對中情況下平衡盤的軸承位置是否合格，確保平衡盤與平衡套的間隙值與流道對中時平衡盤位置相匹配。

5 平衡盤間隙波動范圍的控制

平衡系統(tǒng)的安裝過程中，對平衡盤軸向位移的限制直接影響平衡系統(tǒng)的作用范圍，該間隙值通過軸承的安裝過程來控制，本機泵采用FAG 公司的7313BECBM 軸承背靠背成對安裝，配對軸承安裝采用較寬的軸向間隙值，黃銅保持架：背靠背裝配軸向游隙范圍一般為0.10～0.20 mm，推力軸承軸向位移允許范圍一般為0.2～0.3 mm。在推力軸承裝配時，需要先將平衡盤與平衡套貼合，之后在裝配緊固軸承鎖緊套時，使用百分表打表測量緊固螺栓過程中，將轉(zhuǎn)子平衡盤拉離平衡套的距離，根據(jù)鎖緊后百分表測量數(shù)值調(diào)整推力軸承調(diào)整墊的厚度，以保證平衡機構(gòu)平衡盤的間隙b2處于0.1～0.3 mm。因此間隙較小，為了保證b2間隙，必要時需測量平衡套與平衡盤之間的貼合程度，保證70%的貼合度。經(jīng)現(xiàn)場打表測量所得平衡盤間隙達0.54 mm，現(xiàn)場在軸承調(diào)整環(huán)位置增添0.40 mm 墊片并回裝，經(jīng)過試運，現(xiàn)場測量所更換軸承振動高頻加速度值未超過30 m/s2，確認試轉(zhuǎn)合格，平衡管壓力降低，無波動，軸向力消除。

6 結(jié)論

因平衡機構(gòu)原理對轉(zhuǎn)子軸向位置的要求，提高對軸承的日常運轉(zhuǎn)維護、軸承潤滑及振動監(jiān)測，避免軸承磨損，保證軸承的軸向游隙，在多級泵的設(shè)備管理方面起著重要的作用。目前，機泵振動監(jiān)測普遍采用GB 29531、ISO 10816 等標準，主要測量設(shè)備速度能量值，該標準在轉(zhuǎn)子對中、平衡及刮蹭等方面的故障判斷可以及時反應(yīng)設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，但是在機泵采用徑向瓦支撐的情況下，仍然采用此標準對推力滾動軸承的振動監(jiān)測將失去實際參考價值，建議采用GB 32325 高頻報警值或以監(jiān)測軸承壽命為主的振動加速度高頻振動值，輔以設(shè)備平衡系統(tǒng)壓力值判斷轉(zhuǎn)子軸向平衡情況，同時加入潤滑系統(tǒng)潤滑油溫度和潤滑油分析來衡量和判斷設(shè)備的運行情況，保障設(shè)備的長周期運行。