华迪冠(中石化镇海炼化机动部，浙江 宁波 315207)

1 问题的提出

丙烯制冷压缩机GB501是由沈阳透平机械股份公司(原沈阳鼓风机厂)制造的水平剖分型离心压缩机3MCL1506(2010年投入生产运行)；推力轴承采用WAUKESHA BEARINGS，设计正常转速为2 918 RPM，共有6个叶轮为同向布置，介质为丙烯；机组总压差较高(进口压力为0.127 4 MPa出口1.806 9 MPa)且叶轮直径较大(1 400 mm左右)，因此作用在每一级叶轮上的轴向力较大。机组设计时加了平衡鼓，确保稳定工况运行时的残余轴向力，但在变工况运行时轴向力易出现不稳定，机组开工初期因工况波动较大推力瓦温度出现较大波动：2014年第一次停机检修解体时发现推力瓦块表面出现较明显的热裂纹(机组在开机初期工况波动较大时推力轴承温度变化幅度较大，运行中工艺调整时推力轴承温度也会出现较大的波动幅度)，因此认为该机组稳定运行时该推力轴承承载能力足够稳定运行；但在在变工况(包括开、停机)时推力轴承易出现运行不稳定现象，特别是在开机工况调整频繁时，此时推力瓦表面温度较高，受损概率增大。由于工况调整需求或多次开停机，容易造成轴瓦表面磨损、疲劳点蚀等失效现象，致使轴瓦的承载能力下降甚至出现裂纹、断裂等严重现象。因此要从如何稳定油漠着手来降低该推力轴瓦的表面温度防止轴瓦合金出现裂纹着手，需要对该机组的推力轴承进行适当改造来提高推力轴承的运行稳定性。

2 轴瓦表面损伤情况

该机组推力轴承为WAUKESHA BEARINGS系列中心支点可倾瓦推力轴承，在工况大幅度调整时推力瓦块温度波动幅较大(特别是2010年机组首次开机初期波动接近10°左右)，但在正常工况时推力瓦块温度波动较小，在2014 年首次解体时发现主推力瓦块表面出现明显的热裂纹(方向在出油边)如图1所示。检查各瓦面、瓦块支点及上下水准块接触面未见明显磨损。

图1 丙烯压缩机2014年检修解体时主推力瓦块图片

3 推力瓦块产生热裂纹原因

针对主推力瓦块存在过热损伤、瓦面已出现明显的热裂纹的情况，可以确认轴瓦受损时瓦面温度很高，流经的润滑油不足以带走产生的热量，而丙烯压缩机组采用的推力轴承(WAUKESHA BEARINGS)系中心对称支点的可倾瓦(如图2所示)。按精典的力学模型不可能在工作状态下形成稳定的油楔——即倾斜。

图2 丙烯压缩机推力轴承图

两相对运动表面间要建立动压而保持连续油膜的条件(如图3所示)是[1]：沿动平板运动方向两平板间隙量逐渐缩小，即由于动平板的粘性剪切力作用将润滑油自左侧向右侧带动，此时油膜动压高于环境压力，沿x轴方向的油膜厚度及速度梯度变化如图3中所示：对于左侧油膜而言，此处厚度h＞h0，即，此时油膜动压随着x轴正向增大；对于左侧油膜而言，此处厚度h＜h0，即，此时油膜动压随着x轴正向减少；可以推断油膜动压在h=h0处最大。当油膜动压沿x轴向的面积积分P与外部载荷F平衡时，轴承实现稳定工作。从图示来看要形成稳定的油楔，推力瓦的进油边到支点的距离要大于出油边的距离。

图3 相对运动表面间要建立动压而保持连续油膜的条件

因此对称支点的推力瓦块很难在正常运行状态下形成有效的油楔。虽推力瓦块为球形支点，理论上球形支撑会随着瓦块的倾斜而发生偏移，即难以形成对称支撑。对于对称支点而言，进出油边面积相同，由于出油侧存在磨擦力导致总力矩就要大于进油边侧的力矩。由于润滑油的粘性作用提高了其抗剪切能力，少量润滑介质受推力盘摩擦力作用进入工作面，从而起到冷却润滑作用。据金斯泊雷(Kingsbury)和沃克莎(Waukesha)介绍：对称支点推力瓦能承载的另一个原因是由于轴承的变形，也会产生承载的必要油楔[2]。

综上所述，机组在开停机、变工况调整操作下轴瓦容易产生残余轴向力，以及对称支点瓦面进油量相对较少是引起丙烯压缩机推力瓦块表面温度过高、出现热裂纹甚至疲劳开裂的主要原因。

4 推力瓦块改造对策

可倾瓦推力轴承稳定油膜形成过程如图4所示(为了能使瓦稳定，进、出油侧的油膜反力及相对旋转时产生的摩擦力对支点产生的力矩必须平衡，而在可倾瓦推力轴承的设计中为了能保持稳定的油膜，对支点位置的选择上有一定的要求，一般情况下LP/L=0.55～0.60)，在同样的承载面积下，偏心支撑的推力瓦可提高承载能力20%，瓦面温度可下降10%左右。

因此决定根据油楔形成原理对该瓦进行改进处理：增大油楔作用面积，改善其力学性能的同时还可以增大润滑油的进入量，对轴瓦表面进行冷却润滑。

从图4偏心瓦块的油膜形成原理可以看出：将对称瓦块出油边的结构改造成斜面，此时出油边不再承受载荷，整个轴瓦出油边的面积减少，瓦块工作时受到进出油边不同承载面积产生的总力矩(两边的油膜比压不同)作用，绕支点发生偏心转动形成斜面油楔，进而改善进油条件。

图4 可倾瓦稳定油膜形成示意

对推力瓦块进行手工偏心改造时要切削掉部分承载面积，出于稳妥考虑按出油边刮削掉总承载面积的5%(进口边到支点的位置约为0.526，虽离可倾瓦推力轴承的常规设计LP/L=0.55～0.60还有一定的偏差，但对改状况进油降瓦面温度也已足够)。推力瓦块手工改造如下图5推力瓦块手工偏心改造示意图及刮削后瓦块。

图5 推力瓦块手工偏心改造示意图及刮削后瓦块

5 效果

2014年检修后丙烯压缩机一次投用正常，在开机过程和工况波动时推力瓦块温度波动幅度有明显下降。18年大修再次解体发现该推力瓦块表面出油边侧只有轻微结焦(瓦面完好)如图6所示。检修时只对瓦块表面进行清洁处理也没有更换处理，检修后投用正常。

图6 手工偏心改造运行一个周期(4年)后推力瓦块瓦面情况

6 结语

在对丙烯压缩机组的推力瓦进行检修的过程中，为了使推力轴瓦的力学结构更优，通过润滑油使进入轴瓦表明效果更佳，进而降低表面温度避免润滑油过热失效；同时通过手工刮削的方法改造推力瓦，对其进行微偏心处理，形成偏支点瓦，既增加了轴承的运行稳定性又提高了使用寿命。相关改进思路与方法也为对称支点推力瓦同类型故障排查与优化改造提供了参考。

进一步改造方案：可在不改变轴瓦承载面积及安装方式，仅需改变瓦支点位置(如图7所示)。来达到更好的承载效果。

图7 推力轴瓦中心支点改偏支点示意图