高温泵轴承失效分析及润滑可靠性监测系统的应用*

张柏成 谭桂斌 冯 伟 钟龙风

(1.中海油惠州石化有限公司 广东惠州 516086；2.广州机械科学研究院有限公司，工业摩擦润滑技术国家地方联合工程研究中心 广东广州 510535)

在中海油惠州石化有限公司120万吨/年重油催化装置(I)油浆泵，2009年6月正式建成投产使用，为装置主要设备，在石化企业同行均定为A类设备，位号102-P207A、B两台，日常生产一开一备，3个月切换一次运行。该油浆泵设备采用集中油雾润滑的方式，采用的润滑油为昆仑牌L-TSA-46#汽轮机油。自炼油装置开工以来，油浆泵的轴承运行较稳定，2010年11月份大修时因轴承游隙增大更换了一次轴承。更换时轴承共服役近18个月，除轴承游隙增大外，轴承没有明显的损坏。而大修后该油浆泵的轴承仅运行13个月后，通过设备润滑可靠性监测发现102- P207B油浆泵的轴承箱用定位轴承磨损参数急剧增加，轴承内侧保持架损坏严重，已完全磨损、剥落失效[1-5]。本文作者结合油液监测剖析了高温泵轴承失效的原因，并探讨设备润滑可靠性监测预警平台和系统在炼油装置动设备上的应用。

1 油浆泵轴承失效位置及失效模式

重油催化装置分流系统油浆泵为浙江某企业加工制造，为单级悬臂离心泵。该泵输送介质为重油催化油浆，泵工艺参数见表1。其前轴承型号为7314BECB(联轴器侧)，后轴承型号为NU218E,均为进口精密轴承。

表1 油浆泵主要工艺参数

102-207B油浆泵使用的润滑油每月都会取样进行铁谱分析。2012年11月，铁谱分析发现油中有少量钢质和大量细小铜合金异常磨损颗粒，磨损金属元素Cu含量偏高，直读铁谱DL、DS值严重偏高，如图1所示。通过油液监测分析初步判定油浆泵的轴承滚珠及保持架存在异常磨损。同时，在现场采用便携式监测仪对轴承进行监测[6]，测得轴承箱轴承部位振动、温度信号正常，但轴承的振动加速度值超过正常值，轴承故障因子参数超标，泵的垂直、水平方向振动加速度值均超过5g危险报警值，且对应的轴承故障因子DEF值也超过报警值7，见表2。

图1 油液中磨粒

表2 机泵测点振动值

通过对轴承结构、振动频谱等综合分析，初步确定轴承存在故障。停机检修后发现，该油浆泵的推力球轴承损坏严重，保持架几乎全部磨损剥落，只剩下有4个滚珠架相连，滚动体有明显的磨损故障，如图2所示。这些失效位置、失效模式与设备油液监测诊断的结论吻合。

图2 磨损失效的油浆泵轴承

2 油浆泵轴承磨损失效原因分析

2.1 轴承润滑

102-207B油浆高温泵采用的是集中油雾润滑方式，从设备检修记录上看，自2009年6月投产以来轴承润滑稳定、可靠，油浆泵运行18个月后(从2009年6月至2010年11月的“大修窗口”)，定期检修时更换了一次轴承。因此，集中油雾润滑方式是基本能够满足要求的。但大型炼油装置可能影响到轴承寿命的因素很多，轴承正常运行也受到了外部工况的影响，如设备检修前后轴承存在同心度、平衡度的差异，轴承装配质量存在差异，不同批次轴承质量和耐久性存在差异等；此外，检修后的油浆泵本身形态发生变化，机泵同轴度虽在标准规定的范围内，而轴向和径向的偏差在每次检修之后都是不确定的；轴承产品质量虽然没问题，但是每个轴承游隙也是有区别的，不同批次的轴承材料采购上也存在差别。这些外在的影响因素，会导致在同一个设备运行环境下，油浆泵轴承的真实服役寿命存在显著的差异。

2.2 轴承箱结构

油浆高温泵为浙江某企业生产，输送介质油浆的温度为340 ℃，制造商为了确保机泵运行安全稳定，采用了较大的“安全裕度设计”或“安全系数”，除材质选择上耐高温、耐腐蚀，其设计的机泵壳体体积、尺寸较大，所以，直接造成了轴承箱的箱体更长、径向更大，形成了轴承箱内腔体空间尺寸偏大。但是，轴承设计选用的直径偏小，又在轴承箱的两端点，推力球轴承承载机泵运行的剩余轴向力，如果是在油浴润滑稀油的运行环境下是能够满足设备的严苛工况条件的，因为轴承部分浸在油液中，润滑摩擦区域不会存在干摩擦等问题。但是，在集中油雾润滑装置中，油液是通入油雾发生器，利用文氏管或涡旋效应或共振腔，以仪表风为载体，使得润滑油雾化成3～5 μm的油雾颗粒，与仪表风形成含油量为5×10-6的油雾流，最终，通过细长的润滑流体管道将油雾送到机泵轴承箱。根据油雾量的设计，选用了较大油雾量的喷嘴。

但是，通过对大量监测数据以及102-207B油浆泵的轴承失效位置和失效模式的分析，该轴承是经过长时间的轻微摩擦磨损，慢慢积累而产生的严重磨损和剥落(在2012年11月呈现了明显的磨损元素超标，短时间急剧增加的现象)。另外，通过油液监测诊断发现，在轴承箱较大尺寸的腔体内可能出现油雾量供油不足、温度极高、转速较快等严苛瞬态工况，再加上轴承在轴承箱两端的“局域”死角盲区位置，在油浆泵长时间服役过程中，未形成长周期的、充足的轴承润滑油膜。

因此，因存在润滑系统和装置设计的不足，102-207B油浆泵的轴承在“乏油”润滑条件下运行，再加上油浆泵循环输送的是高温、腐蚀、易燃重油介质等，又导致了轴承箱的轴承微观接触区瞬态温升、供油困难、“油膜坍塌失效”等，不可避免地诱发了轴承表面的摩擦磨损、疲劳磨损。

2.3 油雾润滑系统

查看设备的维护和检修资料手册，102-207B油浆泵的轴承润滑采用了LubriMist-IVT油雾润滑系统，装置建成投产后(从2009年6月起)，该油雾润滑系统总体运行安全、平稳、可靠，没有中间的计划外停机检修情况出现，基本满足了大型炼油装置4年一修的长周期安全运行。此外，机泵群使用的润滑供油系统核心的油雾主机运行平稳，所保障的机泵数量、距离、结构等完全符合要求，根据企业生产要求，润滑供油系统的油雾装置可最远输送至距离主机180 m的机泵轴承箱，且可满足80台(套)机泵的合理润滑需求。另外，油雾主管线的坡度、结构、尺寸等也符合规定，油雾进入轴承箱的路径、压力合格，经现场设备隐患点的排查和分析发现，在机泵润滑供油系统的现场安装、使用、维护上没有发现问题。

虽然在机泵群的油雾量设计参数经过了详细的计算、分析，按较大的油雾量进行设计和加工，也选定了合理的油雾喷嘴尺寸，但是该油浆泵的大型轴承箱体内腔的空间较大、轴承尺寸较小，导致了油雾进入轴承箱体内的油雾量是有限的、供应量易波动。大型轴承箱的轴承摩擦接触区长时间的油雾介质供应不足、供应不稳定，那么，轴承滚动体与保护架之间形成的油膜厚度不足、油膜形态不均匀，而油浆泵长时间、不间断地在重载摩擦下运行，最终导致了承载能力大、载荷校大的推力球轴承过早磨损失效。

3 改进措施及效果

该油浆泵为分流塔底的热油泵，介质具有高温、腐蚀、易燃性的特点，一旦机泵的轴承箱、机械密封发生介质泄漏就会诱发污染、着火事故等。大型炼厂该类油浆泵的泄漏、着火事故等频见报道。所以，对于油浆泵轴承箱的轴承的长周期安全、可靠、稳定运行是非常重要的，是保证大型炼油装置安全可靠运行的前提条件。

根据现场机泵群运行的实际情况，在保留原有油雾润滑系统的基础上，首先恢复了油浴稀油润滑的供油方式，对集中的油雾润滑系统进行了优化，使油浆泵大型轴承箱的轴承在2种润滑方式下运行，使润滑供油方式实现了双保险，从而使油浆泵大型轴承箱的轴承运行安全性、可靠性得到了显著提升[7-9]。改造好取得了良好的效果，根据检修履历记录，2013年10月和2019年3月进行了2次检修，对机泵群在该部位的轴承进行了检测，没有发现类似的磨损失效现象，该油浆泵大型轴承箱的轴承处于良好的润滑摩擦状态。

4 设备润滑可靠性监测预警平台和系统的应用

考虑润滑油离线监测存在数据滞后现象，不能及时发现设备存在的故障隐患[10]。为实现重要装置润滑状态的实时监测，中海油惠州石化有限公司上线了一套设备润滑可靠性管理及状态监控预警系统，该系统实现了对关键动设备的油品选用、新油检测与储存、污染监控、使用监测等全过程进行管理，能科学合理地确定润滑油的使用寿命和换油周期。该系统不仅实现了动设备润滑运行的磨损状态监测、润滑油污染状态监测、润滑油使用性能监测，还对动设备运行状态进行科学诊断，为设备维修决策提供科学的数据指导。多年的实践应用结果表明，该系统对石化动设备磨损故障诊断准确率达92.3%。

根据该系统，采集的现场设备及润滑信息可用于设备油液监测、故障诊断及维护管理等，同时还可与项目合作方的实验室LIMS系统、企业设备润滑可靠性管理系统等接口兼容，做到多信息共享。系统框架如图3所示。

图3 动设备润滑状态监测系统架构

5 总结与展望

通过设备润滑可靠性监测发现了102- P207B油浆泵的轴承箱用定位轴承磨损故障问题，避免了大的安全事故。

为了有效监控机泵轴承运行状态，防止故障及事故发生，提前进行预防维修，在国内同行首次上线了大型炼化企业的机泵群油液监测平台，满足了关键机泵群轴承润滑磨损状态的快捷、及时、高效的监控诊断重大需求。利用该监测平台，结合油液监测的定期采样分析数据、现场便携式检测仪器采集数据及听诊器监听分析等多元化的组合方法，可以综合诊断评价油浆泵轴承的失效位置、失效规律。下一步，将探索大数据、工业互联网、人工智能等新技术如何应用到石化动设备的早期故障监测及智能化运维。