高速离心泵轴瓦磨损失效分析及处理

2018-01-03时丕斌康秀阁

设备管理与维修 2017年9期

关键词：轴头机泵花键

时丕斌，康秀阁，宋健

（中国石油辽河石化公司，辽宁盘锦 124022）

高速离心泵轴瓦磨损失效分析及处理

时丕斌，康秀阁，宋健

（中国石油辽河石化公司，辽宁盘锦 124022）

柴油加氢装置卧式高速离心泵在使用过程中，频繁发生轴瓦磨损失效问题，经检查分析认为，磨损是轴头泵花键联轴器传动失效、润滑支路流量不均等原因所致。维修过程中，对轴头泵联轴器改型升级，并对润滑油支路吹扫清洗，效果良好。

高速离心泵；滑动轴承；联轴器

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.34

0 前言

高压注水泵是加氢装置反应系统注入冲洗水的流体升压设备，因生产工艺要求，其注水通常具有流量小、压力高的特点。因此，高扬程小流量多级离心泵及柱塞泵得以广泛应用，但由于多级离心泵及柱塞泵结构复杂、维修困难、易损件多等原因，又逐渐被用于输送小流量高扬程的超低比转数高速离心泵取代。高速离心泵具有优异的小流量工作稳定性及抗汽蚀性能，且具有可靠性高、适用范围广、使用寿命长等优点。某柴油加氢改质装置高压注水泵选用一级增速卧式高速离心泵，使用过程中频繁发生油压偏低、轴瓦磨损现象，轴承平均使用寿命不足6个月，严重威胁装置长周期安全平稳运行。

1 高速离心泵结构及润滑

柴油加氢改质装置高压注水泵为单吸、悬臂、卧置、一级齿轮增速单级离心泵，主要由泵头、增速箱、润滑系统、电机、底座及其附件组成。

齿轮箱为一对齿轮啮合的增速箱，由箱体、箱盖、高、低速齿轮轴组件、轴承及壳体组件组成。齿轮副为高精度的硬齿面斜齿轮。其中，大齿轮轴组件由2个单列向心球轴承支承在齿轮箱内，小齿轮轴组件由2个径向滑动轴承支承在齿轮箱体内，并使用推力轴承承受残余轴向力。为保证润滑油在无涡流和泡沫状态下的连续供给，该增速箱设置高位油箱，机泵运行时，润滑油在主油箱建立正常油位，并将多余的润滑油送至高位油箱，形成平衡的工作状态，如图1所示。

由于机泵转速较高，运转过程中产热量大，因此机泵采用强制润滑方案。润滑油系统由增速箱油池、主油泵、辅助油泵、油过滤器、油冷却器、监控仪表及内外管路所组成，如图2所示。其中，轴头泵安装于增速箱内部，由低速轴通过花键联轴器驱动。辅助油泵外置于底座上，使用独立的电动机驱动。

高速离心泵额定扬程1430 m，额定流量为15 m3/h，驱动电机工作转速为2976 r/min，经增速箱增速后机泵转速高达16 581 r/min。

2 运转情况

为防止因油压不足、润滑不良而导致机泵损坏，机泵润滑油系统设置低油压联锁保护系统。润滑油系统正常运行情况下，轴头泵出口油压0.3～0.8 MPa，进轴承前油压0.08～0.35 MPa。当轴头泵运行异常，泵出口油压＜0.2 MPa时，辅助油泵联锁启动，保证油泵出口油压；当油压持续降低，进轴承前油压＜0.07 MPa时，高速离心泵主电机联锁停运，以防润滑不足损坏设备。

图1 高速离心泵增速箱结构

图2 高速离心泵润滑示意

机泵运行初期，轴头泵出口油压约0.5 MPa，进轴承前油压约0.25 MPa，经过一段时间运行后，轴头泵出口压力及进轴承前油压均出现下降趋势。运行约60 d后，轴头泵出口油压降至0.2 MPa，辅助油泵联锁启动。此时，轴头泵及辅助油泵同时运行，可以保证轴头泵出口油压达到0.4 MPa，但进轴承前油压仅0.09 MPa，虽然辅助油泵启动运行，仍无法提升进轴承前油压。

鉴于以上情况，为防止设备损坏，决定停运并拆除检修该设备。设备拆检过程中发现机泵低速轴滚动轴承完好，未发现磨损痕迹，泵体内润滑油管路连接可靠，未发现松动或断开现象，如图3所示。拆检高速轴发现高速轴叶轮侧滑动轴承磨损严重，轴瓦合金严重脱落，轴瓦间隙明显增加，其中轴瓦底部合金脱落最为严重，并有局部过热迹象，如图4所示。远离叶轮侧滑动轴承未见磨损迹象，轴瓦间隙为0.09 mm，满足装配要求。为进一步排查轴头泵输出油压偏低原因，对轴头泵进行解体检查，未发现齿轮磨损、间隙增大等异常现象。根据近3次损坏检修情况，更换磨损轴承及轴头泵后，润滑油压力恢复正常，故障消除，但运行周期仅60 d。

3 原因分析

3.1 轴头泵传动分析

轴头泵使用花键联轴器与增速箱低速轴端部直接相连，检查联轴器发现花键磨损较严重，低速轴与轴头泵驱动轴偶有相对转动现象。花键联轴器具有对轴削弱程度小、定心和导向性能好等优点，但当转子出现对中不良时，即便是微小的不对中，也容易导致花键端部磨损失效。

高速离心泵轴头泵传动轴直径10 mm，由于直径小，无法加工矩形或渐开线形齿而使用三角形传动齿，且齿高仅1 mm。三角形花键承载能力较弱，当转子对中不良或振动冲击时，容易因键齿强度不足而屈服变形，失去传动作用。机泵运转过程中，键齿一旦损坏，轴头泵与低速轴将发生相对旋转，轴头泵转速下降，而致使轴头泵输出油压不足、润滑油流量下降。

3.2 高速轴力学模型分析

高速离心泵增速箱属于斜齿圆柱齿轮传动结构，其中，低速齿轮为主动齿轮，旋向为右旋，高速齿轮为从动齿轮，旋向为左旋。如图5所示，低速齿轮旋转中心为O1，高速齿轮旋转中心为O2，以高速齿轮为研究对象，则其圆周力Ft与旋转方向相同，径向力Fr则指向轴心，圆周力Ft与径向力Fr的合力F则指向下方区域，即高速轴承底部为重载区。因此，当轴承润滑不良时，轴瓦底部承载区合金将发生严重摩擦损伤，这与拆检实际情况相一致。

图3 泵体润滑管路连接可靠

图4 轴瓦合金磨损脱落

图5 斜齿圆柱齿轮传动作用力示意

3.3 润滑管路布置分析

为保证设备紧凑，降低占地空间，该高速离心泵润滑油管路除辅助油泵、润滑油冷却器、润滑油过滤器等部分布置在机泵底座外，其余供油管路全部集成布置在增速箱中。设备内部润滑油管路采用内径2.5 mm的铜管，见图3。

增速箱内部供油点包括高速轴、低速轴径向轴承及推力轴承、齿轮啮合部位等6处。由于各注油点流动阻力不同，当润滑油量不足时，各点注油流量极易发生偏流现象，流动阻力较小、沿程损失较低的注油点油量较大，而流动阻力较大、沿程损失较高的注油点油量则偏小，甚至润滑不足而损坏轴承。经拆检发现，叶轮侧径向滑动轴承注油点远离供油总管，且使用较长的细铜管接引，处于润滑油路的末端。因此，当润滑油量不足时，该轴承将率先发生磨损失效。

综上分析研究认为，由于轴头泵三角形花键联轴器强度不足，导致键齿变形而失去可靠的传动作用，并引起轴头泵转速下降或不稳定。在此过程中，轴头泵输出油压及润滑油流量将下降，经阻力不均的多条润滑支管路后，将导致流动阻力最大、处于润滑末端的叶轮侧径向轴承率先出现磨损，而且磨损部位出现在润滑不良的承载区域内。