1、概述
空氣壓縮機(jī)組是2# PTA裝置的核心機(jī)組，由沈鼓集團(tuán)制造，為我國(guó)大型PTA裝置用空氣壓縮機(jī)組的首次國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。機(jī)組采用集中潤(rùn)滑油站供油，主要由汽輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)和尾氣膨脹機(jī)三部分組成。汽輪機(jī)采用了杭州汽輪機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)制造的凝汽式蒸汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置低品位副產(chǎn)蒸汽的能量回收，空氣壓縮機(jī)采用了大型齒輪整體組裝式離心結(jié)構(gòu)，尾氣膨脹機(jī)采用了大型齒輪整體組裝式向心結(jié)構(gòu)完成氧化尾氣能量回收。汽輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)、尾氣膨脹機(jī)間以膜片聯(lián)軸器連接實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞、機(jī)組功率平衡的功能，結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。
圖1 PTA空氣壓縮機(jī)組組成
尾氣膨脹機(jī)主要作用是回收工藝流程中產(chǎn)生的尾氣的能量，依靠尾氣對(duì)葉輪的沖擊做功，推動(dòng)尾氣膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，平衡空壓機(jī)組整體軸功率分配，降低蒸汽透平蒸汽消耗，充分利用高溫尾氣膨脹做功回收能量以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。其采用多軸齒輪組裝向心式結(jié)構(gòu)，為2級(jí)2段膨脹，2級(jí)膨脹均采用半開(kāi)式三元葉輪級(jí)，第一級(jí)與第二級(jí)采用不同轉(zhuǎn)速，分別與兩個(gè)小齒輪連接，確保較高的能量回收效率與可靠的性能。尾氣膨脹機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 尾氣膨脹機(jī)性能參數(shù)
膨脹機(jī)設(shè)計(jì)使用的大齒輪軸推力軸承為徑向推力軸承一體化結(jié)構(gòu)，推力軸承為固定瓦推力軸承類型，為斜-平面扇形結(jié)構(gòu)。正常運(yùn)行情況下，特殊的斜-平面結(jié)構(gòu)推力面與大齒輪軸推力盤(pán)間構(gòu)成楔形以便產(chǎn)生楔形效應(yīng)。在載荷穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，固定瓦推力軸承承載能力比同尺寸可傾瓦推力軸承高10%-17%，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝制造方便。
2#PTA裝置于2018年4月恢復(fù)運(yùn)行，6月開(kāi)始尾氣膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承出現(xiàn)軸承溫度高、持續(xù)周期性波動(dòng)的問(wèn)題，給機(jī)組的安全長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。
2、故障現(xiàn)象與原因分析
①故障現(xiàn)象
2018年6月開(kāi)始，PTA二線膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承溫度開(kāi)始出現(xiàn)緩慢上漲，由正常值82℃左右最高上升至116℃，在溫度峰值運(yùn)行3-4天后，突然下降至90℃左右，再次呈現(xiàn)緩慢上漲、峰值穩(wěn)定、突然下降的現(xiàn)象，如此持續(xù)往復(fù)，趨勢(shì)如圖2所示。
圖2 推力軸承溫度TI1146A變化趨勢(shì)
潤(rùn)滑油供油溫度保持在40-44℃，進(jìn)入膨脹機(jī)潤(rùn)滑油總管路壓力為0.23MPa，膨脹機(jī)一級(jí)入口壓力波動(dòng)范圍為0.97-1.05MPa，機(jī)組為恒工作轉(zhuǎn)速(4285rpm)，由于機(jī)組在運(yùn)行約2個(gè)月后才開(kāi)始出現(xiàn)大齒輪軸推力瓦溫度異常波動(dòng)的現(xiàn)象，初步分析主推力面有可能發(fā)生了積碳(結(jié)焦)現(xiàn)象。止推軸承瓦塊積碳(結(jié)焦)，使止推間隙減小，同時(shí)影響散熱，導(dǎo)致軸承瓦塊溫度高。因?yàn)闇囟壬咚俣染徛?，溫度降低迅速，符合結(jié)碳特點(diǎn)，即結(jié)碳緩慢，積碳脫落迅速。
根據(jù)生產(chǎn)物料平衡以及經(jīng)營(yíng)安排，該裝置于2018年11月停車檢修。在此期間對(duì)膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)主推力面存在較嚴(yán)重的積碳(結(jié)焦)現(xiàn)象，積碳面積約為推力面積的30%，且未發(fā)現(xiàn)有明顯的油楔，即原設(shè)計(jì)的斜－平面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)磨損，未能正常形成油楔。
②原因分析
通常情況下，可能導(dǎo)致軸瓦磨損的原因較多，比如轉(zhuǎn)子軸系裝配超差、推力盤(pán)變形或平面度異常、推力面光潔度超差、巴士合金質(zhì)量不合格、轉(zhuǎn)子軸向載荷過(guò)大、電化學(xué)腐蝕、軸瓦供油量不足、潤(rùn)滑油品質(zhì)達(dá)不到要求、設(shè)計(jì)缺陷等。
1)從異常情況發(fā)生的時(shí)間維度分析
由于大齒輪軸推力軸承溫度異常現(xiàn)象是在機(jī)組經(jīng)過(guò)檢修穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月后才開(kāi)始出現(xiàn)，通過(guò)故障樹(shù)分析法，可初步排除轉(zhuǎn)子軸系裝配超差、推力盤(pán)變形或平面度異常、推力面光潔度超差、巴氏合金質(zhì)量不合格的問(wèn)題。
2)從機(jī)組日常運(yùn)行管理的角度分析
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查以及潤(rùn)滑油質(zhì)量定期監(jiān)測(cè)，該裝置空壓機(jī)組潤(rùn)滑油于2018年3月更換，定期監(jiān)測(cè)分析潤(rùn)滑油質(zhì)量較為穩(wěn)定(見(jiàn)表2所示)，均未超出《L-TSA汽輪機(jī)油換油指標(biāo)》(NB/SH/T0636-2013)的技術(shù)要求。機(jī)組潤(rùn)滑油供油溫度保持在40-44℃，相對(duì)穩(wěn)定，膨脹機(jī)側(cè)潤(rùn)滑油總管供油壓力穩(wěn)定為0.13MPa，油溫、油壓均未出現(xiàn)大幅波動(dòng)的情況。因此，基本上可以排除潤(rùn)滑油品質(zhì)達(dá)不到要求、機(jī)組軸瓦供油量不足的問(wèn)題。
表2 機(jī)組潤(rùn)滑油質(zhì)量分析數(shù)據(jù)
3)從停機(jī)檢查的情況分析
推力軸承推力面的磨損、積碳情況并不符合電化學(xué)腐蝕的特征，未出現(xiàn)電蝕凹坑以及“麻點(diǎn)”現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查機(jī)組靜電接地碳刷、靜電接地線均接觸良好，電阻值為0.8-2.6Ω，均符合不超過(guò)4Ω的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，基本上可以排除電化學(xué)腐蝕的可能性。
4)從機(jī)組布置結(jié)構(gòu)角度分析
由于大齒輪軸系是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，尾氣經(jīng)過(guò)一、二級(jí)做功膨脹后，將熱能轉(zhuǎn)化為大齒輪軸的動(dòng)能，通過(guò)壓縮機(jī)－膨脹機(jī)之間的聯(lián)軸器以扭矩輸出的形式，將軸功率輸入到壓縮機(jī)。根據(jù)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況，汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)始終處于軸功率動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。
從壓縮機(jī)向膨脹機(jī)方向看，大齒輪軸為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。根據(jù)理論力學(xué)原理，對(duì)大齒輪軸受力作定性分析，正常運(yùn)行情況下，推力軸承主推力面承受的軸向推力最大，該區(qū)域形成的油膜載荷最大，產(chǎn)生的熱量最高，為此主推力瓦溫相對(duì)較高，與實(shí)際情況一致。
由于膨脹機(jī)一級(jí)入口壓力為0.97-1.05MPa，溫度為175℃，為兩級(jí)加熱設(shè)計(jì)，二級(jí)出口壓力為0.2-0.32kPa，溫度為35-42℃，工藝條件均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，且壓縮機(jī)運(yùn)行也較為穩(wěn)定，結(jié)合機(jī)組歷史運(yùn)行情況，可初步排除轉(zhuǎn)子軸向載荷過(guò)大的問(wèn)題。
5)大齒輪軸徑向推力軸承的結(jié)構(gòu)分析
發(fā)現(xiàn)大齒輪軸推力軸承設(shè)計(jì)存在兩個(gè)問(wèn)題：一是推力軸承推力面與大齒輪軸推力盤(pán)間形成的供油油膜為二次油，即由于沒(méi)有單獨(dú)的推力軸承供油油路，推力軸承的供油為徑向軸承使用后的潤(rùn)滑油，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)作用下進(jìn)入推力軸承與推力盤(pán)間形成油膜；二是回油U形槽為封閉結(jié)構(gòu)，做功后的熱油無(wú)法及時(shí)順暢的將熱量帶走。
如果能通過(guò)合適的方法，將推力軸承尤其是主推力面的供油方式改為一次油，降低潤(rùn)滑油供油溫度，并且將做功后的熱油及時(shí)順暢排出，在機(jī)組其他參數(shù)保持穩(wěn)定的情況下，有效降低主推軸承溫度。
3、解決措施
為降低主推力軸承工作溫度，經(jīng)過(guò)與沈鼓進(jìn)行充分討論評(píng)估，從降低主推力軸承供油溫度和增大熱油回油量?jī)蓚€(gè)方面做改進(jìn)，結(jié)合斜-平面扇形固定推力軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際情況，對(duì)主推力軸承U形槽作進(jìn)一步優(yōu)化(如圖3所示)。
圖3 推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化
受結(jié)構(gòu)布局的限制(主要中分面有螺栓孔、銷孔等)，為最大限度降低主推力軸承供油溫度，只能增大一次油進(jìn)油量。因此需對(duì)主推力軸承上、下瓦對(duì)稱3個(gè)U形槽開(kāi)6-Φ4的通孔，并且與主進(jìn)油槽相通。同時(shí)，以主推力軸承面為靜止參考面，則推力盤(pán)的回轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針回轉(zhuǎn)，在楔形角的作用下，最終的熱油匯集至U形槽，在驅(qū)動(dòng)勢(shì)能的作用下向外側(cè)溢出，這就需要適當(dāng)降低外溢阻力，確保在油膜剛度穩(wěn)定形成的前提下，熱油可以順暢外溢及時(shí)帶走產(chǎn)生的熱量。因此需要在主推力面12個(gè)U形槽頂部均增加卸油槽，通過(guò)計(jì)算需設(shè)定卸油槽角度為60°，深度為2mm的等邊V形槽。
V形槽增設(shè)位置位于斜－平面扇形固定軸承U形槽頂部，該部分主要為巴氏合金層，增設(shè)V形卸油槽主要目的是降低外溢阻力，增大熱油外泄量，促使高溫?zé)嵊图皶r(shí)排入齒輪箱體，因此根據(jù)《離心式空氣壓縮機(jī)維護(hù)檢修規(guī)程》(SHS01018-2004)的相關(guān)要求，在加工過(guò)程中V 形槽不得出現(xiàn)裂紋、剝落、劃痕以及毛刺，表面粗糙度為Ra0.8。
可增加單位供油面積： A＝πr2＝3.14×(4/2)2＝12.56(mm2)
單位U形槽開(kāi)卸油V形槽面積為：
因此，根據(jù)上述計(jì)算可得：
主推力軸承可增加總供油面積為： As＝6A＝6×12.56＝75.36(mm2)
主推力軸承V形卸油槽總面積為： Ao＝12A1＝12×2.31＝27.72(mm2)
由上式可得：As＞Ao
即相較于原推力軸承的設(shè)計(jì)條件，在增加冷油單位供油面積的同時(shí)也增大了熱油的卸油面積，可降低卸油阻力，理論上可實(shí)現(xiàn)主推力軸承運(yùn)行溫度降低的目的。
4、效果驗(yàn)證
通過(guò)對(duì)膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承備件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并且利用2018年11月裝置停車檢修的契機(jī)進(jìn)行了更換，檢查大齒輪軸徑向軸承配合間隙和推力間隙在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，其他各部位復(fù)核均滿足安裝技術(shù)要求。
機(jī)組在2019年2月開(kāi)車運(yùn)行以來(lái)，膨脹機(jī)大齒輪軸推力軸承溫度一直保持穩(wěn)定，溫度測(cè)點(diǎn)TI-1146A/B溫度值分別保持在62、68℃左右。改造前后，主推力軸承溫度TI-1146A/B 分別同比下降約38、48℃，符合理論預(yù)期。
5、結(jié)論
①推力軸承溫度長(zhǎng)期高于95℃時(shí)，應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)，極易在巴氏合金層面發(fā)生積碳、結(jié)焦現(xiàn)象，由此會(huì)導(dǎo)致軸承溫度進(jìn)一步升高，甚至?xí)霈F(xiàn)巴氏合金軟化、遷移，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)燒瓦的情況。
②在保證推力軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變的前提下，結(jié)合具體實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)適當(dāng)改進(jìn)潤(rùn)滑油供油方式以降低熱油卸油阻力，可改善單位油膜的形成，有效提升大齒輪軸主推力軸承的運(yùn)行可靠性。
③在化工生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備管理尤其是大型機(jī)組設(shè)備涉及到的專業(yè)比較多，遇到技術(shù)問(wèn)題往往需要從工藝、電氣、儀表、機(jī)械等不同的專業(yè)角度進(jìn)行綜合性分析，以設(shè)備全壽命周期要素管理為切入點(diǎn)，提升問(wèn)題分析的針對(duì)性和有效性，以提升設(shè)備運(yùn)行本質(zhì)安全可靠。
作者：沈意凌
