推力軸瓦手工偏心改造的實踐應用

華迪冠(中石化鎮海煉化機動部，浙江 寧波 315207)

1 問題的提出

丙烯制冷壓縮機GB501是由沈陽透平機械股份公司(原沈陽鼓風機廠)制造的水平剖分型離心壓縮機3MCL1506(2010年投入生產運行)；推力軸承采用WAUKESHA BEARINGS，設計正常轉速為2 918 RPM，共有6個葉輪為同向布置，介質為丙烯；機組總壓差較高(進口壓力為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。機組設計時加了平衡鼓，確保穩定工況運行時的殘余軸向力，但在變工況運行時軸向力易出現不穩定，機組開工初期因工況波動較大推力瓦溫度出現較大波動：2014年第一次停機檢修解體時發現推力瓦塊表面出現較明顯的熱裂紋(機組在開機初期工況波動較大時推力軸承溫度變化幅度較大，運行中工藝調整時推力軸承溫度也會出現較大的波動幅度)，因此認為該機組穩定運行時該推力軸承承載能力足夠穩定運行；但在在變工況(包括開、停機)時推力軸承易出現運行不穩定現象，特別是在開機工況調整頻繁時，此時推力瓦表面溫度較高，受損概率增大。由于工況調整需求或多次開停機，容易造成軸瓦表面磨損、疲勞點蝕等失效現象，致使軸瓦的承載能力下降甚至出現裂紋、斷裂等嚴重現象。因此要從如何穩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裂紋著手，需要對該機組的推力軸承進行適當改造來提高推力軸承的運行穩定性。

2 軸瓦表面損傷情況

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

圖1 丙烯壓縮機2014年檢修解體時主推力瓦塊圖片

3 推力瓦塊產生熱裂紋原因

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

圖2 丙烯壓縮機推力軸承圖

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

圖3 相對運動表面間要建立動壓而保持連續油膜的條件

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

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

4 推力瓦塊改造對策

可傾瓦推力軸承穩定油膜形成過程如圖4所示(為了能使瓦穩定，進、出油側的油膜反力及相對旋轉時產生的摩擦力對支點產生的力矩必須平衡，而在可傾瓦推力軸承的設計中為了能保持穩定的油膜，對支點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。

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

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構改造成斜面，此時出油邊不再承受載荷，整個軸瓦出油邊的面積減少，瓦塊工作時受到進出油邊不同承載面積產生的總力矩(兩邊的油膜比壓不同)作用，繞支點發生偏心轉動形成斜面油楔，進而改善進油條件。

圖4 可傾瓦穩定油膜形成示意

對推力瓦塊進行手工偏心改造時要切削掉部分承載面積，出于穩妥考慮按出油邊刮削掉總承載面積的5%(進口邊到支點的位置約為0.526，雖離可傾瓦推力軸承的常規設計LP/L=0.55～0.60還有一定的偏差，但對改狀況進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一次投用正常，在開機過程和工況波動時推力瓦塊溫度波動幅度有明顯下降。18年大修再次解體發現該推力瓦塊表面出油邊側只有輕微結焦(瓦面完好)如圖6所示。檢修時只對瓦塊表面進行清潔處理也沒有更換處理，檢修后投用正常。

圖6 手工偏心改造運行一個周期(4年)后推力瓦塊瓦面情況

6 結語

在對丙烯壓縮機組的推力瓦進行檢修的過程中，為了使推力軸瓦的力學結構更優，通過潤滑油使進入軸瓦表明效果更佳，進而降低表面溫度避免潤滑油過熱失效；同時通過手工刮削的方法改造推力瓦，對其進行微偏心處理，形成偏支點瓦，既增加了軸承的運行穩定性又提高了使用壽命。相關改進思路與方法也為對稱支點推力瓦同類型故障排查與優化改造提供了參考。

進一步改造方案：可在不改變軸瓦承載面積及安裝方式，僅需改變瓦支點位置(如圖7所示)。來達到更好的承載效果。

圖7 推力軸瓦中心支點改偏支點示意圖