一种虹吸式润滑油油位指示油标的研发及应用

胡纪全,李志富,树朋山,劳瑞卿,谢丹林

(中国石油化工股份有限公司金陵分公司,南京 210033)

1 现状及问题

随着工业技术的不断进步和发展,离心泵在化工企业中得到了广泛应用。它具有结构简单、运行安全可靠的特征,在化工企业的生产运行中起着关键的作用。但是离心泵在长期运行过程中,会出现一系列故障。据统计,轴承箱内润滑油缺失导致机泵故障停机的频率占比较高,因此,轴承箱内润滑油液位正常是保障机泵安全平稳运行的必备条件之一【1】。

在实际应用过程中,通过观察发现,部分机泵油标位置设计偏高,正常情况下观察润滑油油标视窗液位又偏低,容易造成操作人员误判轴承箱内润滑油液位;而若补加润滑油液位到油标的1/2～2/3,机泵运行时则会出现甩油现象,待多余的油甩出后,其液位仅保持在视窗的1/3处或偏低位置。轴承箱内润滑油过多或过少都会引发机泵故障。若润滑油过多,则机泵在高速运转过程中会出现甩油现象,并会发生“虹吸效应”,导致机泵轴承润滑失效,出现缺油干摩,摩擦生热导致温度过高时,机泵易发生火灾。机泵长期运行,经常需要反复补加润滑油,不仅造成润滑油浪费,还会污染环境,而且存在极大的安全隐患,如图1(a)～图1(b)所示。因此若不能够及时解决机泵轴承箱润滑油油标视窗开孔过高而造成的甩油问题,不仅会增加工人的劳动强度,而且长期运行易造成机泵密封损坏,此外,加油过多还易引起轴承与润滑油摩擦生热,导致轴承出现过热的现象【2】。

图1 机泵甩油现象

2 润滑原理

2.1 轴承润滑

离心泵支撑转子的部件大部分采用的是滚动轴承,而滚动轴承的元件,如滚动体、内外圈及保持架之间并非都是纯滚动。在外载荷作用下元件会产生弹性变形,除个别点外,接触面上均有相对滑动。由于滚动轴承各元件接触面积小、单位面积压力大,若润滑不良,元件很容易胶合,或因摩擦升温过高,引起滚动体回火,使轴承失效,因此轴承时刻要处于油膜的涂覆之中【3】。

轴承通常采用油槽或油雾进行润滑,为了保证滚动体和滚道接触面间形成一定厚度的油膜,轴承箱内所加润滑油为长城威越L-TSA46型汽轮机油(A 级),执行标准GB 11120—2011。在油槽润滑中,轴承部分浸在润滑油中,油浸润滑高度达到轴承底的50%为宜【4】,如图2所示。正常情况下通过油标视窗观察油位在油标的1/2～2/3处。如果油浸高度高于50%过多,过量的润滑油涡流会使油温上升,而油温升高会加速润滑油的氧化,从而降低润滑性能,此外,轴承高速旋转还会将多余的润滑油甩出;如果低于50%过多,则油对轴承的冲洗作用降低,使润滑减弱。

图2 轴承箱内轴承润滑示意

2.2 恒位油杯原理

恒位油杯的作用是使轴承箱体内的润滑油位保持恒定。恒位油杯的外观如图3 所示,其中,P1为油杯内油的高度产生的静压,P2为油杯内的上部(没有油的那一段)压力,P3为油杯油嘴处的压力。在大气压的作用下,油箱内的压力大于油杯内的压力,这时油杯不会补油,当油箱内的润滑油消耗后,油箱内的润滑油液位下降,直到油杯的油管与大气相通,有空气进入油杯,这时在大气压的作用下,油杯将会自动给油箱补油。

图3 恒位油杯外观示意

理论设计上工作油位点和设计油位是相同的,恒位油杯内初始油量一般保持在整个油杯的2/3处。恒位油杯内液面之所以高于轴承箱体内液面一定的高度,是由于连通器的原理,油杯上部气体压力小于外界大气压力P0,当P1＋P2＝P0＝P3时,轴承箱内油的高度应该与油杯油嘴的水平高度基本一致,油杯的油嘴刚好被油液面封住。当机泵运行一段时间后,轴承箱内油液面下降,空气才可以返入油杯内,油杯内的油才可以流进轴承箱,此时P1＋P2＞P0＞P3。当轴承箱内油液面再次封住油杯嘴时,空气不能进入油杯,油杯内的油便不再流入,此时P1＋P2＝P0＝P3。

通过润滑原理分析可知,机泵在运行前应通过油标检查轴承箱内润滑油液位并确认正常,才能够保证机泵长期运行的安全性。油杯的作用是当轴承箱内润滑油液位低时对其进行补油,油杯显示的油液位应高于轴承箱内的油液位。而油标的作用则是真实反映轴承箱内润滑油的液位。若轴承箱油标视窗开孔过高,则油标无法真实反映出油位的高度,导致轴承箱内润滑油液位偏低的误判。因此油标视窗设计的合理性决定了所加润滑油的液位,如图4(a)～图4(b)所示,若油标视窗设计合理,则正常情况下,油标液位显示为图4(a)状态;若油标视窗开孔过高,则油标液位显示为图4(b)状态,不能够真实反映出润滑油的液位。所以,油标视窗开孔过高存在一定的引发机泵运行事故的隐患,需要进行改进。

图4 油标显示的轴承箱内油位状态

3 改进措施及效果

3.1 原油标缺陷

目前离心泵轴承箱油标多采用常规油标(见图5)和U 形管油标(见图6)。常规油标油位显示采用的是直径20～30mm 油标,使用过程中油标内部易积垢,且因油标直径小,不易看清油位,需经常更换【5】。

图5 常规油标

图6 U 形管油标

U 形管油标污染后需进行整体更换,清理不方便,且油标柱无保护措施,气孔容易堵塞,还易被操作人员碰撞,导致连接不牢靠,使得油标松动出现滴油现象。

3.2 新型油标结构设计

针对机泵轴承箱油标视窗开孔过高导致油标无法真实反映出油位状态、从而误判轴承箱内润滑油液位、引发机泵故障的现象,结合实际情况,对轴承箱油标视窗开孔过高的机泵进行实际测量,确定其油位的中心位置,通过Pro/E 软件设计出一种新型润滑油油位指示油标,其结构如图7 所示。新型油标由油标主体、固定体、油标柱、连接管、锁紧锁母等9 个元件组成。油标主体、连接管、压盖、采用铝合金材料、锁紧螺母和油标柱固定体采用不锈钢材料加工而成,保证耐用的同时,也使整个组装体的质量较轻。其油标柱采用有机玻璃加工而成,上端侧面开有气孔,通过固定体和压盖进行固定。新型油标便于拆卸油标柱,方便清理油垢,根据每台机泵油标视窗开孔位置的高低程度,可以加工不同高度的油标柱和油标柱固定体。油标连接管与轴承箱相连接的螺纹采用55°非密封管螺纹,根据不同的尺寸可以直接进行机加工,也可以配合不同尺寸的螺纹转接头使用,以满足轴承箱油标螺纹孔的连接。

图7 新型润滑油油位指示油标结构

3.3 应用效果及问题

加工好的油标投用前,首先对油标内进行一次灌入、排出润滑油的操作,清除内部杂质,确保内部流道畅通,然后再将油标安装在机泵轴承箱侧面,如图8所示。对不符合要求的油标及时进行更换。通过轴承箱上端的加油孔加入定量的润滑油,使油标的液位上升至一定高度,待机泵运行48 h后,将多余的润滑油甩出,并在油标柱上标注液位的高、低位置,应确保润滑油位于高、低液位的1/2～2/3位置。

图8 油位指示油标应用的实物

通过实践发现,新型油标虽然能够直观地观察到机泵轴承箱内润滑油液位的状态,但轴承箱内液位降低到一定程度时(低于基准线时),该型油标易产生假液位(即轴承箱内油位降低到基准线以下时,油标液位不会随之变化),存有安全隐患,需要进一步对油标的结构进行优化改进。

3.4 结构优化

通过查阅大量文献,并结合机械相关专业知识,对油标结构重新进行设计优化,在油标与轴承箱接头处增设虹吸管,如图9所示。所设计的虹吸式油标主要由透明有机方管、透气帽、活接头、管接头、虹吸管以及密封元件组成,其中虹吸管采用改性的PVC材质管在一定温度下热折而成,通气帽上方开有排气孔。

图9 虹吸式机泵润滑油油位指示油标结构设计

3.5 试验验证

采用水作为介质进行试验验证该虹吸式油标的可行性。首先打开通气帽,将水通过透明有机方管上端加入,待油标内的气体排出后,拧紧通气帽;在杯子内缓慢加入水,此时将会发现,杯子内的水增加时,油标液位也随之升高,如图10(a)所示。通过排水管将水慢慢排出,油标液位也会随之降低,如图10(b)所示。

图10 虹吸式油标试验验证

试验中,杯子相当于轴承箱。通过上述试验可以看出,油标与轴承箱之间加入的虹吸管,可起到虹吸作用,使油标液位随着轴承箱内油位的变化而变化,从而解决了3.3节中所述的油标出现假液位的情况。该试验验证了虹吸式油标的可行性。

3.6 虹吸式润滑油油位指示油标的应用效果

虹吸式油标能够实时监测轴承内润滑油的液位,反映出机泵轴承箱内润滑油液位的高低状态,如图11所示。虹吸式油标的成功应用不仅可以解决现有离心泵油标视窗开孔不合理(过高或过低)、造成操作人员误判轴承箱内润滑油液位状态的问题,而且能够解决过量或过少补加润滑油、影响机泵安全运行的问题,为机泵的平稳运行提供了保障,大大改善了机泵的运行环境。该新型油标已申请专利并获得授权【6】。

图11 虹吸式机泵润滑油油位指示油标成功应用

4 结语

本文针对离心泵轴承箱油标视窗开孔过高、易造成操作工误判轴承箱内润滑油液位偏低的问题,以及过量补加润滑油、机泵运行时会出现甩油的现象,通过优化改进,最终研发出了一种虹吸式润滑油油位指示油标。该型油标在油标与轴承箱接头处增设虹吸管,能够真实地反映出轴承箱内润滑油液位的高低状态,并可使操作人员一目了然地观察到机泵润滑油液位,极大地改善了泵房区域机泵的运行环境,消除了隐患,也为机泵的平稳运行提供了可靠的保障,使润滑油的损耗大大降低。