金斯伯雷止推轴承在大型膨胀机组上的应用

陈仁来 刘永楼 熊 荣

（浙江嘉兴石化有限公司）

2017 年10 月， 浙江某大型石化公司在新化工装置调试试车阶段，发生机组内膨胀机低压级止推轴承推力瓦块及其转子止推面磨损的情况。该新装置采用行业内最新技术， 单装置产能最大，具有单位投资成本低、运行消耗成本低的特点。 该机组由德国西门子公司制造，包括汽轮机、减速机、空气压缩机、电动发电机二合一设备、膨胀机5 个主机设备， 以及压缩机级间冷却器、润滑油站等辅助设备。 机组调试的最后一个主机是膨胀机，在膨胀机升温运转的调试后期，低压级叶轮侧止推轴承温度突然上升而联锁停机，解体检查发现止推轴承下部瓦块磨损严重，对应的转子推力面有磨损，笔者就该故障情况进行原因排查，并提出改进措施。

1 事故原因排查

新装置五合一机组（图1，从左往右依次为蒸汽轮机、变速箱、离心压缩机、电动发电机和尾气膨胀机）中的膨胀机以装置内产生的高温N2作为驱动源，额定工况为：高压级进气377t/h，进气压力5.5bar（1bar=0.1MPa），进气温度260℃，低压级排气压力1.1bar，排气温度89℃；膨胀机的发电量17 550kW·h，止推轴承损坏情况如图2 所示。

图1 五合一机组结构示意图

事故发生后，西门子专家对止推轴承和推力面的磨损进行了分析，认为是润滑油的品质及其洁净度等有问题，并且进行了逐项排查：

图2 止推轴承损坏情况

a. 润滑油的油品问题。 业主方提供了润滑油供应商的润滑油的粘度、 极压指数等指标，都在五合一机组要求的润滑油指标范围内，此问题排除。

b. 润滑油压力的检查。 润滑系统总管压力正常，对各润滑点逐个进行了测量，膨胀机润滑点的油压正常，此问题排除。

c. 润滑油的洁净度问题。 由于润滑油系统庞大，机组润滑油正常循环用量为65t，虽然润滑油的洁净度已经达到7 级，但系统内是否存在卫生死角却不得而知，为此，提高润滑油过滤器的过滤精度，同时提高润滑油的温度，加大润滑油系统的冲洗力度。 由于系统内其他4 台设备运行正常，故在膨胀机的润滑油流道入口处单独再增加一级过滤，确保进入膨胀机的润滑油洁净度完全满足润滑要求，但再次调试膨胀机时，同样的问题还是发生了。 因此，排查安装或部件组装问题，然而，对膨胀机的低压级转子与惰轴转子的平行度、低压级转子前后瓦窝的同心度、设备安装的水平度及转子轴向间隙等进行复验后，没有发现任何偏差。

2 止推轴承改进方案的确定

针对有可能引发事故的原因进行排查均未找到问题所在， 但新装置投产时间不能耽搁，使用方认为应该是低压级转子的止推瓦的承载能力有问题。

五机合一的空压机组， 其他设备先行调试时，设备的轴承都正常，唯独膨胀机低压级叶轮侧推力轴瓦有问题，因此可以判断问题的关键不在润滑油，而在推力轴瓦本身。 根据低压级转子的旋转方向和转子叶轮的偏重情况可知，转子总重量为2 935kg， 其中悬臂式叶轮重量为1 797kg，叶轮直径为1 600mm，膨胀机进气升温时， 叶轮受到气体膨胀做功的轴向力变化很大，而转子轴驱动惰轴承受的是向下的压力，止推轴承采用米歇尔推力轴承，这就使得止推轴承瓦块与转子止推面的受力油楔间隙不均衡，特别是外下侧受力大的瓦块，间隙小，升温过程中瞬间载荷过大，会导致瓦块磨损和局部温度升高。 转子推力面的材料与转子相同， 均为X5CrNiNb16-4，虽然该材料具有较好的耐腐蚀性能和特殊的机械性能，但没有做任何耐磨处理，在局部高温和高速运转的情况下，脱落的锡基合金照样可以对表面造成磨损，造成维修工作量成倍增加，维修时间长，维修成本高。

金斯伯雷轴承和米歇尔轴承的共同点是活动多块式，在止推块下有一个支点，这个支点一般偏离止推块的中心， 止推块可以绕支点摆动，根据载荷和转速的变化形成有利的油膜。 米歇尔轴承止推块直接与基环接触，是单层的；金斯伯雷轴承止推块下有上水准块、下水准块，然后才是基环，相当于3 层叠起来。 金斯伯雷轴承的特点是载荷分布均匀，调节灵活，能补偿转子的不对中、偏斜，并可反转，这种轴承具有良好的均载减载能力。

综合这些情况， 业主方提出的解决方案为：西门子重新设计承受转子轴向力均衡性更好的金斯伯雷止推轴承，同时将转子推力面喷镀耐磨层。 经过3 个月的努力，西门子重新提供了金斯伯雷止推轴承， 并对转子推力面进行耐磨处理，膨胀机再次调试，一次性通过。

3 结束语

随着石化装置化工工艺的不断更新，新建化工装置的要求越来越高， 特别是产能要求更高、运行成本更低，导致设备的尺寸越做越大；新装置的应用和试运行过程中多少会出现一些问题，解决了就表明新工艺成功了。 浙江某大型石化公司新化工装置将膨胀机的止推轴承更换为金斯伯雷轴承之后，设备转子轴向的受力情况得到了改善，目前已经稳定运行了2 年。 机组改进通过测试后，装置的工艺专利迅速在同行中进行了推广，同样的装置也已于近日投产成功。