深冷低壓膨脹機軸承溫度過高的原因分析
2009-03-31
米淑云 付源 孟紅霞 / 天然氣分公司
摘要：簡單介紹了膨脹機潤滑流程及軸承潤滑機理，分析了造成膨脹機軸承溫度高的主要原因，找出了解決的辦法。
關鍵詞：透平膨脹機；軸承；潤滑油；密封氣
中圖分類號: TB653； TH133.3 文獻標識碼：B
文章編號： 1006-8155（2007）04-0077-03
Reason Analysis on High Temperature of Expander Bearing with Deep-cold and Low-pressure
Abstract: This paper briefly introduces the process of lubrication for expander and the mechanism of lubrication for bearing. The main reason for high temperature of expander bearing is analyzed and the solution is found.
Key words: turbo-expander ； bearing ； lubricating oil ； seal gas
0 引言
深冷裝置采用的膨脹機屬于速度型透平膨脹機,以天然氣流動時速度的變化來傳遞能量,高壓天然氣在膨脹機內做接近于等熵膨脹,產生焓降。同時,輸出功,消耗能量,增大焓降,使天然氣出口溫度降低,達到制冷目的。膨脹葉輪屬于徑軸流反動向心閉式葉輪,同軸制動的離心增壓機的葉輪為半開式，膨脹機和增壓機都是單機的。膨脹機是深冷站制冷系統的主要設備，它擔負著制冷和回收能量的重要作用。高、低壓膨脹機的設計流量分別為18623/17388Nm3/h,轉速為39000/47000r/min，高、低壓膨脹機進口溫度為-69.15/21.55℃,出口溫度為：-105.32/-39.55℃。通過分析得出了影響膨脹機軸承溫度的主要因素有潤滑油、水冷卻器、密封氣、配件質量、維修質量等，其中潤滑油的油膜厚度是制約軸承溫度的主要原因，而軸承溫度是影響膨脹機長周期、高效運行的關鍵。
1 膨脹機組存在的問題
2005年5月膨脹機組連續一周多出現軸承溫度高而連鎖停機現象（數據見表1），致使機組處于較低負荷運轉狀態，制冷負溫在-50℃左右，與設計制冷溫度相差甚遠。
關鍵詞：透平膨脹機；軸承；潤滑油；密封氣
中圖分類號: TB653； TH133.3 文獻標識碼：B
文章編號： 1006-8155（2007）04-0077-03
Reason Analysis on High Temperature of Expander Bearing with Deep-cold and Low-pressure
Abstract: This paper briefly introduces the process of lubrication for expander and the mechanism of lubrication for bearing. The main reason for high temperature of expander bearing is analyzed and the solution is found.
Key words: turbo-expander ； bearing ； lubricating oil ； seal gas
0 引言
深冷裝置采用的膨脹機屬于速度型透平膨脹機,以天然氣流動時速度的變化來傳遞能量,高壓天然氣在膨脹機內做接近于等熵膨脹,產生焓降。同時,輸出功,消耗能量,增大焓降,使天然氣出口溫度降低,達到制冷目的。膨脹葉輪屬于徑軸流反動向心閉式葉輪,同軸制動的離心增壓機的葉輪為半開式，膨脹機和增壓機都是單機的。膨脹機是深冷站制冷系統的主要設備，它擔負著制冷和回收能量的重要作用。高、低壓膨脹機的設計流量分別為18623/17388Nm3/h,轉速為39000/47000r/min，高、低壓膨脹機進口溫度為-69.15/21.55℃,出口溫度為：-105.32/-39.55℃。通過分析得出了影響膨脹機軸承溫度的主要因素有潤滑油、水冷卻器、密封氣、配件質量、維修質量等，其中潤滑油的油膜厚度是制約軸承溫度的主要原因，而軸承溫度是影響膨脹機長周期、高效運行的關鍵。
1 膨脹機組存在的問題
2005年5月膨脹機組連續一周多出現軸承溫度高而連鎖停機現象（數據見表1），致使機組處于較低負荷運轉狀態，制冷負溫在-50℃左右，與設計制冷溫度相差甚遠。
表 1 膨脹機組有故障時的運行參數
2 膨脹機軸承潤滑機理
膨脹機的軸和軸承的潤滑、冷卻主要是靠潤滑油，潤滑油的主要作用是為軸、軸承、密封提供潤滑和冷卻作用。軸頸與軸承間形成一定厚度的動壓油膜，構成油膜接觸，油膜將軸托起，軸承與軸不直接接觸，軸與軸承間為液體摩擦，摩擦因數較小。同時，摩擦副間脫落的金屬屑、雜質被潤滑油帶走，減輕磨料磨損，帶走摩擦產生的熱量，防止軸與軸承溫度過高而燒瓦。
3 低壓膨脹機的結構及潤滑油流程
低壓膨脹機的結構主要由膨脹機殼體、轉子軸、葉輪、軸承、鍵、背冒螺栓、隔熱盤、背壓密封、密封膠圈及溫度探頭、振動探頭等組成。其輔助系統有增壓機、密封氣系統、冷吹系統、蓄壓器、平衡閥等。
低壓膨脹機的軸承與軸的潤滑采用
L-TSA68號汽輪機油進行潤滑，潤滑油的粘度指標為55.08～82.28mm2/s,閃點（開口）指標為≥185℃。潤滑油的流程是油箱-粗過濾器-油泵-潤滑油水冷卻器-雙聯過濾器-管線閥門-機前過濾器-膨脹機的軸、軸承等部位進行潤滑。
4 故障排查及分析
4.1 檢查儀表系統
察看低膨脹機軸承回油溫度現場數據與主控室計算機顯示的軸承溫度數據對照，再與用紅外線測溫儀進行測量數據對照，測量的數據基本相同，誤差在 2℃左右；檢查低膨脹機溫度探頭安裝情況，如果探頭安裝松動或探頭線性不好，也會影響數據變化，對現場的溫度進行重新校驗，重新確認儀表探頭的靈敏度，通過檢查未發現任何異常。
4.2 檢查油箱的潤滑油的化驗指標、溫度和壓力
潤滑油化驗指標中影響軸承溫度的主要是運動粘度和閃電。運動粘度高于標準值時，軸頸與軸承之間油膜的運動阻力大，運動產生的熱量不能及時帶走，易造成低壓膨脹機軸承溫度高；運動粘度小于標準值時，軸頸與軸承之間油膜厚度變薄，無法形成動壓潤滑，軸與軸承間為邊界摩擦，此時的摩擦因數幾倍于液體潤滑，軸與軸承間產生的熱量大，易造成低壓膨脹機軸承溫度高；潤滑油閃電低，軸頸與軸承之間無法形成油膜或形成的油膜變薄，軸與軸承間為邊界摩擦，易造成低壓膨脹機軸承溫度高。油箱中潤滑油溫度對軸承的影響，油箱溫度過高（正常油箱溫度為58℃），而潤滑油水冷卻器的換熱面積是一定的，潤滑油的溫度也相應變高，造成低壓膨脹機軸承溫度升高，油箱壓力對軸承溫度的影響，油箱壓力過高，直接影響潤滑油回油箱的速度，這樣也易造成低壓膨脹機軸承溫度升高。因此，要保證低壓膨脹機軸承溫度不高，必須控制好潤滑油的化驗指標、油箱溫度和壓力。
4.3 潤滑油水冷卻器換熱效果
膨脹機潤滑油水冷卻器是隨機引進的換熱器 ,換熱面積為34m2 ,管束采用銅材質,銅材質的換熱效果好于其他材質,介質為循環水,設計來/回水溫度為30/60℃，殼程介質為潤滑油，設計進/出潤滑油溫度為60/40℃。來水溫度高，經過水冷卻器換熱后，潤滑油溫度降不下來，造成低壓膨脹機軸承溫度升高。潤滑油水冷卻器換熱效果，由于水冷卻器長時間使用，管壁結垢，沉積泥砂的堵塞等水冷卻器換熱效果差，造成低壓膨脹機軸承溫度高。保證措施是定期對潤滑油水冷卻器進行清洗，另外控制好動力的循環水來水溫度，來水溫度控制在30℃以內。
4.4 檢查油泵的運行參數
油泵的流量為216L/min,進口壓力為0.5MPa，出口壓力為4.86MPa。如果油泵的出口壓力低，油泵的供油量不足，潤滑油循環減慢，潤滑油不能正常工作，無法滿足軸承及密封的潤滑，易造成軸承溫度高。這種情況可能是油泵密封損壞，泄漏量大造成的，或是油泵進口過濾氣堵塞造成的，也可能是泵葉輪損壞而致，經檢查現場油泵的出口壓力為4.5MPa，滿足膨脹機運行需要。
4.5 檢查管線
回油的匯管多年運行積垢多不暢通，影響軸承回油量，或是調節閥堵塞開關不靈活，造成油路不暢通，影響軸承溫度等。在停機時，對膨脹機的所有潤滑油管路和調節閥進行檢查、清洗，同時用儀表風進行吹掃管線，未發現任何異物。
4.6 檢查膨脹機的配件質量
目前，膨脹機的配件都使用國產化研制加工的配件，軸承是由四川簡陽低溫設備廠加工的配件，懷疑有質量問題，軸承回油孔方位不對或孔小，造成回油不暢通，與引進配件對比，同時檢查油孔是否有堵塞，并用儀表風進行吹掃，未發現異常。檢查隔熱盤的回油孔存在堵塞的現象，經檢查軸承及隔熱盤。不是造成低壓膨脹機軸承溫度的原因。
4.7 檢查配合間隙
軸承與軸的配合間隙過小，造成軸承與軸之間的油膜厚度過小，致使軸承與軸頸產生邊緣摩擦，造成軸承溫度過高。經檢查維修記錄，裝配尺寸符合規程要求。
4.8 密封氣的壓力調節不正確
為了防止油進入到工藝氣體中，或工藝氣體和油接觸，在迷宮密封中間注入一股密封氣，密封氣的流量稍高于從密封中的泄漏量，密封氣的壓差為0.15MPa。另外，密封氣中不能含有重烴，重烴會造成潤滑油粘度下降。經檢查未發現異常。
4.9 儀表軟件故障
從現場逐一排查，未找到膨脹機軸承溫度高的根源，檢查計算機程序系統，經檢查發現儀表軟件故障所致，故障排除后，膨脹機運行軸承溫度正常，參數見表2。
膨脹機的軸和軸承的潤滑、冷卻主要是靠潤滑油，潤滑油的主要作用是為軸、軸承、密封提供潤滑和冷卻作用。軸頸與軸承間形成一定厚度的動壓油膜，構成油膜接觸，油膜將軸托起，軸承與軸不直接接觸，軸與軸承間為液體摩擦，摩擦因數較小。同時，摩擦副間脫落的金屬屑、雜質被潤滑油帶走，減輕磨料磨損，帶走摩擦產生的熱量，防止軸與軸承溫度過高而燒瓦。
3 低壓膨脹機的結構及潤滑油流程
低壓膨脹機的結構主要由膨脹機殼體、轉子軸、葉輪、軸承、鍵、背冒螺栓、隔熱盤、背壓密封、密封膠圈及溫度探頭、振動探頭等組成。其輔助系統有增壓機、密封氣系統、冷吹系統、蓄壓器、平衡閥等。
低壓膨脹機的軸承與軸的潤滑采用
L-TSA68號汽輪機油進行潤滑，潤滑油的粘度指標為55.08～82.28mm2/s,閃點（開口）指標為≥185℃。潤滑油的流程是油箱-粗過濾器-油泵-潤滑油水冷卻器-雙聯過濾器-管線閥門-機前過濾器-膨脹機的軸、軸承等部位進行潤滑。
4 故障排查及分析
4.1 檢查儀表系統
察看低膨脹機軸承回油溫度現場數據與主控室計算機顯示的軸承溫度數據對照，再與用紅外線測溫儀進行測量數據對照，測量的數據基本相同，誤差在 2℃左右；檢查低膨脹機溫度探頭安裝情況，如果探頭安裝松動或探頭線性不好，也會影響數據變化，對現場的溫度進行重新校驗，重新確認儀表探頭的靈敏度，通過檢查未發現任何異常。
4.2 檢查油箱的潤滑油的化驗指標、溫度和壓力
潤滑油化驗指標中影響軸承溫度的主要是運動粘度和閃電。運動粘度高于標準值時，軸頸與軸承之間油膜的運動阻力大，運動產生的熱量不能及時帶走，易造成低壓膨脹機軸承溫度高；運動粘度小于標準值時，軸頸與軸承之間油膜厚度變薄，無法形成動壓潤滑，軸與軸承間為邊界摩擦，此時的摩擦因數幾倍于液體潤滑，軸與軸承間產生的熱量大，易造成低壓膨脹機軸承溫度高；潤滑油閃電低，軸頸與軸承之間無法形成油膜或形成的油膜變薄，軸與軸承間為邊界摩擦，易造成低壓膨脹機軸承溫度高。油箱中潤滑油溫度對軸承的影響，油箱溫度過高（正常油箱溫度為58℃），而潤滑油水冷卻器的換熱面積是一定的，潤滑油的溫度也相應變高，造成低壓膨脹機軸承溫度升高，油箱壓力對軸承溫度的影響，油箱壓力過高，直接影響潤滑油回油箱的速度，這樣也易造成低壓膨脹機軸承溫度升高。因此，要保證低壓膨脹機軸承溫度不高，必須控制好潤滑油的化驗指標、油箱溫度和壓力。
4.3 潤滑油水冷卻器換熱效果
膨脹機潤滑油水冷卻器是隨機引進的換熱器 ,換熱面積為34m2 ,管束采用銅材質,銅材質的換熱效果好于其他材質,介質為循環水,設計來/回水溫度為30/60℃，殼程介質為潤滑油，設計進/出潤滑油溫度為60/40℃。來水溫度高，經過水冷卻器換熱后，潤滑油溫度降不下來，造成低壓膨脹機軸承溫度升高。潤滑油水冷卻器換熱效果，由于水冷卻器長時間使用，管壁結垢，沉積泥砂的堵塞等水冷卻器換熱效果差，造成低壓膨脹機軸承溫度高。保證措施是定期對潤滑油水冷卻器進行清洗，另外控制好動力的循環水來水溫度，來水溫度控制在30℃以內。
4.4 檢查油泵的運行參數
油泵的流量為216L/min,進口壓力為0.5MPa，出口壓力為4.86MPa。如果油泵的出口壓力低，油泵的供油量不足，潤滑油循環減慢，潤滑油不能正常工作，無法滿足軸承及密封的潤滑，易造成軸承溫度高。這種情況可能是油泵密封損壞，泄漏量大造成的，或是油泵進口過濾氣堵塞造成的，也可能是泵葉輪損壞而致，經檢查現場油泵的出口壓力為4.5MPa，滿足膨脹機運行需要。
4.5 檢查管線
回油的匯管多年運行積垢多不暢通，影響軸承回油量，或是調節閥堵塞開關不靈活，造成油路不暢通，影響軸承溫度等。在停機時，對膨脹機的所有潤滑油管路和調節閥進行檢查、清洗，同時用儀表風進行吹掃管線，未發現任何異物。
4.6 檢查膨脹機的配件質量
目前，膨脹機的配件都使用國產化研制加工的配件，軸承是由四川簡陽低溫設備廠加工的配件，懷疑有質量問題，軸承回油孔方位不對或孔小，造成回油不暢通，與引進配件對比，同時檢查油孔是否有堵塞，并用儀表風進行吹掃，未發現異常。檢查隔熱盤的回油孔存在堵塞的現象，經檢查軸承及隔熱盤。不是造成低壓膨脹機軸承溫度的原因。
4.7 檢查配合間隙
軸承與軸的配合間隙過小，造成軸承與軸之間的油膜厚度過小，致使軸承與軸頸產生邊緣摩擦，造成軸承溫度過高。經檢查維修記錄，裝配尺寸符合規程要求。
4.8 密封氣的壓力調節不正確
為了防止油進入到工藝氣體中，或工藝氣體和油接觸，在迷宮密封中間注入一股密封氣，密封氣的流量稍高于從密封中的泄漏量，密封氣的壓差為0.15MPa。另外，密封氣中不能含有重烴，重烴會造成潤滑油粘度下降。經檢查未發現異常。
4.9 儀表軟件故障
從現場逐一排查，未找到膨脹機軸承溫度高的根源，檢查計算機程序系統，經檢查發現儀表軟件故障所致，故障排除后，膨脹機運行軸承溫度正常，參數見表2。
表2 膨脹機組故障排除后的運行參數
5 結論
膨脹機組是深冷站制冷系統的主要機組，要保證膨脹機組平穩、高效運行，降低故障頻率，就必需嚴格控制機組的運行參數，保證機組在Z佳狀態下運行，同時把好配件質量關和維修質量關，減少停車次數，避免損害膨脹機。
膨脹機組是深冷站制冷系統的主要機組，要保證膨脹機組平穩、高效運行，降低故障頻率，就必需嚴格控制機組的運行參數，保證機組在Z佳狀態下運行，同時把好配件質量關和維修質量關，減少停車次數，避免損害膨脹機。
