時丕斌，康秀閣，宋 健

（中國石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022）

高速離心泵軸瓦磨損失效分析及處理

時丕斌，康秀閣，宋 健

（中國石油遼河石化公司，遼寧盤錦 124022）

柴油加氫裝置臥式高速離心泵在使用過程中，頻繁發(fā)生軸瓦磨損失效問題，經(jīng)檢查分析認為，磨損是軸頭泵花鍵聯(lián)軸器傳動失效、潤滑支路流量不均等原因所致。維修過程中，對軸頭泵聯(lián)軸器改型升級，并對潤滑油支路吹掃清洗，效果良好。

高速離心泵；滑動軸承；聯(lián)軸器

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.34

0 前言

高壓注水泵是加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)注入沖洗水的流體升壓設(shè)備，因生產(chǎn)工藝要求，其注水通常具有流量小、壓力高的特點。因此，高揚程小流量多級離心泵及柱塞泵得以廣泛應(yīng)用，但由于多級離心泵及柱塞泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難、易損件多等原因，又逐漸被用于輸送小流量高揚程的超低比轉(zhuǎn)數(shù)高速離心泵取代。高速離心泵具有優(yōu)異的小流量工作穩(wěn)定性及抗汽蝕性能，且具有可靠性高、適用范圍廣、使用壽命長等優(yōu)點。某柴油加氫改質(zhì)裝置高壓注水泵選用一級增速臥式高速離心泵，使用過程中頻繁發(fā)生油壓偏低、軸瓦磨損現(xiàn)象，軸承平均使用壽命不足6個月，嚴重威脅裝置長周期安全平穩(wěn)運行。

1 高速離心泵結(jié)構(gòu)及潤滑

柴油加氫改質(zhì)裝置高壓注水泵為單吸、懸臂、臥置、一級齒輪增速單級離心泵，主要由泵頭、增速箱、潤滑系統(tǒng)、電機、底座及其附件組成。

齒輪箱為一對齒輪嚙合的增速箱，由箱體、箱蓋、高、低速齒輪軸組件、軸承及殼體組件組成。齒輪副為高精度的硬齒面斜齒輪。其中，大齒輪軸組件由2個單列向心球軸承支承在齒輪箱內(nèi)，小齒輪軸組件由2個徑向滑動軸承支承在齒輪箱體內(nèi)，并使用推力軸承承受殘余軸向力。為保證潤滑油在無渦流和泡沫狀態(tài)下的連續(xù)供給，該增速箱設(shè)置高位油箱，機泵運行時，潤滑油在主油箱建立正常油位，并將多余的潤滑油送至高位油箱，形成平衡的工作狀態(tài)，如圖1所示。

由于機泵轉(zhuǎn)速較高，運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)熱量大，因此機泵采用強制潤滑方案。潤滑油系統(tǒng)由增速箱油池、主油泵、輔助油泵、油過濾器、油冷卻器、監(jiān)控儀表及內(nèi)外管路所組成，如圖2所示。其中，軸頭泵安裝于增速箱內(nèi)部，由低速軸通過花鍵聯(lián)軸器驅(qū)動。輔助油泵外置于底座上，使用獨立的電動機驅(qū)動。

高速離心泵額定揚程1430 m，額定流量為15 m3/h，驅(qū)動電機工作轉(zhuǎn)速為2976 r/min，經(jīng)增速箱增速后機泵轉(zhuǎn)速高達16 581 r/min。

2 運轉(zhuǎn)情況

為防止因油壓不足、潤滑不良而導(dǎo)致機泵損壞，機泵潤滑油系統(tǒng)設(shè)置低油壓聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。潤滑油系統(tǒng)正常運行情況下，軸頭泵出口油壓0.3～0.8 MPa，進軸承前油壓0.08～0.35 MPa。當軸頭泵運行異常，泵出口油壓＜0.2 MPa時，輔助油泵聯(lián)鎖啟動，保證油泵出口油壓；當油壓持續(xù)降低，進軸承前油壓＜0.07 MPa時，高速離心泵主電機聯(lián)鎖停運，以防潤滑不足損壞設(shè)備。

圖1 高速離心泵增速箱結(jié)構(gòu)

圖2 高速離心泵潤滑示意

機泵運行初期，軸頭泵出口油壓約0.5 MPa，進軸承前油壓約0.25 MPa，經(jīng)過一段時間運行后，軸頭泵出口壓力及進軸承前油壓均出現(xiàn)下降趨勢。運行約60 d后，軸頭泵出口油壓降至0.2 MPa，輔助油泵聯(lián)鎖啟動。此時，軸頭泵及輔助油泵同時運行，可以保證軸頭泵出口油壓達到0.4 MPa，但進軸承前油壓僅0.09 MPa，雖然輔助油泵啟動運行，仍無法提升進軸承前油壓。

鑒于以上情況，為防止設(shè)備損壞，決定停運并拆除檢修該設(shè)備。設(shè)備拆檢過程中發(fā)現(xiàn)機泵低速軸滾動軸承完好，未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，泵體內(nèi)潤滑油管路連接可靠，未發(fā)現(xiàn)松動或斷開現(xiàn)象，如圖3所示。拆檢高速軸發(fā)現(xiàn)高速軸葉輪側(cè)滑動軸承磨損嚴重，軸瓦合金嚴重脫落，軸瓦間隙明顯增加，其中軸瓦底部合金脫落最為嚴重，并有局部過熱跡象，如圖4所示。遠離葉輪側(cè)滑動軸承未見磨損跡象，軸瓦間隙為0.09 mm，滿足裝配要求。為進一步排查軸頭泵輸出油壓偏低原因，對軸頭泵進行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)齒輪磨損、間隙增大等異?，F(xiàn)象。根據(jù)近3次損壞檢修情況，更換磨損軸承及軸頭泵后，潤滑油壓力恢復(fù)正常，故障消除，但運行周期僅60 d。

3 原因分析

3.1 軸頭泵傳動分析

軸頭泵使用花鍵聯(lián)軸器與增速箱低速軸端部直接相連，檢查聯(lián)軸器發(fā)現(xiàn)花鍵磨損較嚴重，低速軸與軸頭泵驅(qū)動軸偶有相對轉(zhuǎn)動現(xiàn)象?；ㄦI聯(lián)軸器具有對軸削弱程度小、定心和導(dǎo)向性能好等優(yōu)點，但當轉(zhuǎn)子出現(xiàn)對中不良時，即便是微小的不對中，也容易導(dǎo)致花鍵端部磨損失效。

高速離心泵軸頭泵傳動軸直徑10 mm，由于直徑小，無法加工矩形或漸開線形齒而使用三角形傳動齒，且齒高僅1 mm。三角形花鍵承載能力較弱，當轉(zhuǎn)子對中不良或振動沖擊時，容易因鍵齒強度不足而屈服變形，失去傳動作用。機泵運轉(zhuǎn)過程中，鍵齒一旦損壞，軸頭泵與低速軸將發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，軸頭泵轉(zhuǎn)速下降，而致使軸頭泵輸出油壓不足、潤滑油流量下降。

3.2 高速軸力學(xué)模型分析

高速離心泵增速箱屬于斜齒圓柱齒輪傳動結(jié)構(gòu)，其中，低速齒輪為主動齒輪，旋向為右旋，高速齒輪為從動齒輪，旋向為左旋。如圖5所示，低速齒輪旋轉(zhuǎn)中心為O1，高速齒輪旋轉(zhuǎn)中心為O2，以高速齒輪為研究對象，則其圓周力Ft與旋轉(zhuǎn)方向相同，徑向力Fr則指向軸心，圓周力Ft與徑向力Fr的合力F則指向下方區(qū)域，即高速軸承底部為重載區(qū)。因此，當軸承潤滑不良時，軸瓦底部承載區(qū)合金將發(fā)生嚴重摩擦損傷，這與拆檢實際情況相一致。

圖3 泵體潤滑管路連接可靠

圖4 軸瓦合金磨損脫落

圖5 斜齒圓柱齒輪傳動作用力示意

3.3 潤滑管路布置分析

為保證設(shè)備緊湊，降低占地空間，該高速離心泵潤滑油管路除輔助油泵、潤滑油冷卻器、潤滑油過濾器等部分布置在機泵底座外，其余供油管路全部集成布置在增速箱中。設(shè)備內(nèi)部潤滑油管路采用內(nèi)徑2.5 mm的銅管，見圖3。

增速箱內(nèi)部供油點包括高速軸、低速軸徑向軸承及推力軸承、齒輪嚙合部位等6處。由于各注油點流動阻力不同，當潤滑油量不足時，各點注油流量極易發(fā)生偏流現(xiàn)象，流動阻力較小、沿程損失較低的注油點油量較大，而流動阻力較大、沿程損失較高的注油點油量則偏小，甚至潤滑不足而損壞軸承。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，葉輪側(cè)徑向滑動軸承注油點遠離供油總管，且使用較長的細銅管接引，處于潤滑油路的末端。因此，當潤滑油量不足時，該軸承將率先發(fā)生磨損失效。

綜上分析研究認為，由于軸頭泵三角形花鍵聯(lián)軸器強度不足，導(dǎo)致鍵齒變形而失去可靠的傳動作用，并引起軸頭泵轉(zhuǎn)速下降或不穩(wěn)定。在此過程中，軸頭泵輸出油壓及潤滑油流量將下降，經(jīng)阻力不均的多條潤滑支管路后，將導(dǎo)致流動阻力最大、處于潤滑末端的葉輪側(cè)徑向軸承率先出現(xiàn)磨損，而且磨損部位出現(xiàn)在潤滑不良的承載區(qū)域內(nèi)。

4 解決辦法

4.1 軸頭泵聯(lián)軸器改型

將花鍵聯(lián)軸器改為一字插銷式聯(lián)軸器，即在低速軸端部加工一字形凹槽，在軸頭泵驅(qū)動軸上鉆孔并安裝圓柱銷，如圖6所示。該機構(gòu)雖不能傳遞較大扭矩，但允許兩軸輕微不對中，可應(yīng)用于低負荷的軸頭泵傳動。

圖6 聯(lián)軸器改型后軸頭泵傳動機構(gòu)示意

4.2 潤滑油管路沖洗及吹掃

設(shè)備長期運轉(zhuǎn)使用，通徑較小的末端油管路內(nèi)部附著污物，導(dǎo)致流動阻力增加，潤滑油流動不暢等現(xiàn)象。為解決上述問題，在機泵檢修的過程中，使用汽油對各潤滑支路沖洗貫通，并使用壓縮風(fēng)逐根吹掃，保證潤滑油路暢通，降低流動阻力。

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〔編輯 李 波〕