武汉英格索兰油管(离心式压缩机主油泵断轴故障分析及改造)

Posted 2023-05-30

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武汉英格索兰油管(离心式压缩机主油泵断轴故障分析及改造)

　　一、前言

　　中海油东方石化空压站装置，向全厂各生产装置及公用工程辅助设施提供非净化风和仪表用净化风。机组为某外资公司制造，C1000系列CENTAC C75M×3是多级离心式压缩机。机组为垂直剖分结构，采用三级压缩。压缩端（机头部分）由大齿轮驱动两根叶轮轴，第一级叶轮单独布置，以达到效率的最优化，第二、三级背靠背共轴布置。压缩端布置在机组底部的冷却器之上，电机则由钢制底座支撑于油箱之上，冷却器与电机支撑结构相互连接。

　　CENTAC压缩机主机部份包括以下主要部件：齿轮箱、转子总成、叶轮、轴承等。

　　1.齿轮箱

　　齿轮箱为垂直剖分设计，第一级和第二级叶轮在同侧，第三级叶轮在另一侧。齿轮箱包括两部分：箱体和盖板，两者通过螺栓连接成整体。盖板在电机侧，箱体则位于压缩端空气侧，齿轮系统布置于其中。涡壳通过螺栓连接到齿轮箱上，进气环与涡壳共同构成压缩腔。大齿轮轴通过弹性体直接驱动三螺杆主油泵。

　　2.转子总成

　　C75M×3采用第一级转子独立由大齿轮驱动，第二级和第三级转子背靠背共轴布置的设计。三级叶轮均采用高效后弯式叶轮，通过独特的三角圆弧锥面P3连接件与叶轮轴相连。从电机方向看，叶轮转向为逆时针方向。每一级转子均由高质量的15-5PH不锈钢叶轮、推力环以及叶轮轴组成。推力环的作用在于吸收机组运行时由空气动力产生的轴向推力，以避免将此负荷传到大齿轮上，从而延长了齿轮的寿命。第一级推力环通过三角圆弧连接件与叶轮轴的另一端相连，第二、三级叶轮由于共轴，推力环与叶轮轴成为一体，位于两个叶轮之间。所有转动件都通过动平衡测试，每级叶轮后的转子轴处都装有一径向振动探头，线接至控制柜，对每级的振动进行监测。

　　C75M×3采用低压润滑油系统（油压1.7～2.2 barG, 油温43～46°C）对轴承进行润滑，主要部件如下：内置于压缩机底盘内的润滑油箱, 油箱涂有防腐层。安装在大齿轮轴上的主油泵，120%超尺寸配置，以保护在突然停电时压缩机的充分润滑。预润滑油泵由380V、3相、50Hz电机驱动并带有一内置减压阀。预润滑油泵在压缩机启动前和停机后对机组进行润滑：当压缩机处于运行状态时，主油泵供油，预润滑油泵检测到压力信号后自动停止工作；当压缩机处于停机状态时，预润滑油泵自动启动。密封气压力传感器与控制柜相连，提供自锁保护，当密封气压力未达到设定值时，预润滑油泵不会工作。油压低时预润滑油泵自动启动。润滑油路进口装有筛网，10微米的双联油过滤器，板式油冷却器按照35℃ 冷却水设计，材质为不锈钢板加海军铜翅片。主油路中装有安全阀以控制压缩机轴承中的油压，在主油泵进口和预润滑油泵出口装有止回阀。

　　油过滤器后装有压力传感器，线接至控制柜。以实现对低油压进行显示、报警和停机。油过滤器后装有电阻测温计，线接至控制柜。对油温高/低进行显示、报警和停机。油过滤器上带有油压差表，以显示润滑油过滤器前后的压差。

　　二、故障现象

　　该机组自安装运行以来，曾出现过启机时润滑油压波动，近期因更换润滑油。检查清理油系统和主油泵的轴承密封部件，更换润滑油后，例行切机运行，启动后30秒后，润滑油压低联锁停车。检查主油泵、预润滑油泵、润滑油管路系统，发现主油泵主动轴断裂，从动螺杆副推力面咬合磨损。其它无异常。

　　三、主油泵断轴原因分析

　　1.从主油泵主动螺杆轴在联轴器键槽处的断面上看，断面平整，无明显起伏变形，判断是主油泵主动螺杆受扭矩过大，超过屈服强度值，在螺杆轴肩应力集中处产生扭断。

　　2.从主油泵主从动螺杆磨损痕迹上看，分析是因为主油泵入口管路有空气积存，导致主副螺杆推力面缺油干摩擦，接触面磨损，主从动螺杆间隙改变，因为缺油加速磨损，进而咬合抱死，导致主动螺杆在轴肩处被强力扭断。

　　3.检查机组油路各部件及油路设计，预润滑油泵完好，管路连接完好无泄漏迹象。拆检预润滑油泵及主油泵入口单向阀，该单向阀为铜制单向阀，阀瓣与主密封座形成金属硬密封，密封面完好；单向阀灌油存放12h，未发现明显泄露情况。检查油路调压阀，完好。检查润滑油温控阀，测试正常，检查双联油滤器，正常。最终问题集中在油路管路设计上。主油泵由大齿轮直接通过弹性体直接传动，其所在位置是整个油路最高位置，比预润滑油泵高约1.1米。并且在开机前，先启动预润滑油泵，油路建立油压，但是润滑油将逆向将主油泵入口段管路灌泵，即润滑油通过主油泵出口进入泵体，通过三螺杆泵与腔体的间隙，进入主油泵入口，再进入主油泵入口管路，最后流到主油泵的入口单向阀而停止。但由于主油泵是整个油路最高位，且主油泵进出油管都是在泵体下面垂直平行，形成一个“几”型，而主油泵在这个“几”字型最上部。最终管路中的空气将被压缩聚集在主油泵的入口段及泵腔内，并且无法排出，因为主油泵所处最高位没有设置排气阀，实际上整个油路没有设置放气阀。

　　检查验证：经过紧急采购新泵到货后，将旧泵入口段弯头拆下钻孔，加装排气阀。在预润滑油泵运行时30分钟后，从主油泵排气阀处可排放出压缩气体，排气时长约5秒，从而验证了管路不能自行排气的事实。回顾以往开机过程发生过因为管路中存气导致油压瞬间降低的情况，是由于维护人员在回装主油泵时，通过往主油泵入口管路人工加油方式缓慢灌泵，直至入口段空气完全排出，消除了隐患，但系统本身不能自动将空气排出。

　　四、原因总结及采取措施

　　综上所述，判断压缩机主油泵断轴故障原因是：

　　润滑油管路存在设计缺陷，主油泵所处位置是整个油路最高位，主油泵在检修后或油路更换润滑油后，油路系统真空被破坏，管路进入空气，且在预润滑油泵启动后积存的气体因予润滑油泵运行，将润滑油逆向给主油泵灌泵。并且主油泵入口段空气被压缩后，因管路的单向阀，润滑油不流动，空气难以排除，导致机组开机时主油泵螺杆副吸入压缩空气，三螺杆泵缺油抽空，螺杆副干磨抱死，主动螺杆轴在其轴肩应力集中薄弱处断裂。

　　最终确定在主油泵泵体入口弯头顶处。钻出10mm孔，加装排气阀。修订运行操作规程，在启机前开予润滑油泵时，同步排气，在启动主机时，保证了主油泵泵腔及入口段管路压缩空气都已可靠排出。有效地解决了机组润滑油路设计的缺陷。

　　五、改造后的运行效果

　　改造后，压缩机启机前，运行人员按照修订后的操作规程排气，压缩机切机，启动，没有再发生润滑油压波动及压力下降问题。

　　参考文献
　　[1] 英格索兰压缩机操作手册
　　[2] GB 50275-2010 风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范