010-58202838
轴承知识
深冷低压膨胀机轴承温度过高的原因分析
2009-03-31 米淑云 付源 孟红霞 / 天然气分公司
摘要：简单介绍了膨胀机润滑流程及轴承润滑机理，分析了造成膨胀机轴承温度高的主要原因，找出了解决的办法。
关键词：透平膨胀机；轴承；润滑油；密封气
中图分类号: TB653； TH133.3 文献标识码：B
文章编号： 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
深冷装置采用的膨胀机属于速度型透平膨胀机,以天然气流动时速度的变化来传递能量,高压天然气在膨胀机内做接近于等熵膨胀,产生焓降。同时,输出功,消耗能量,增大焓降,使天然气出口温度降低,达到制冷目的。膨胀叶轮属于径轴流反动向心闭式叶轮,同轴制动的离心增压机的叶轮为半开式，膨胀机和增压机都是单机的。膨胀机是深冷站制冷系统的主要设备，它担负着制冷和回收能量的重要作用。高、低压膨胀机的设计流量分别为18623/17388Nm3/h,转速为39000/47000r/min，高、低压膨胀机进口温度为-69.15/21.55℃,出口温度为：-105.32/-39.55℃。通过分析得出了影响膨胀机轴承温度的主要因素有润滑油、水冷却器、密封气、配件质量、维修质量等，其中润滑油的油膜厚度是制约轴承温度的主要原因，而轴承温度是影响膨胀机长周期、高效运行的关键。
1 膨胀机组存在的问题
2005年5月膨胀机组连续一周多出现轴承温度高而连锁停机现象（数据见表1），致使机组处于较低负荷运转状态，制冷负温在-50℃左右，与设计制冷温度相差甚远。
关键词：透平膨胀机；轴承；润滑油；密封气
中图分类号: TB653； TH133.3 文献标识码：B
文章编号： 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
深冷装置采用的膨胀机属于速度型透平膨胀机,以天然气流动时速度的变化来传递能量,高压天然气在膨胀机内做接近于等熵膨胀,产生焓降。同时,输出功,消耗能量,增大焓降,使天然气出口温度降低,达到制冷目的。膨胀叶轮属于径轴流反动向心闭式叶轮,同轴制动的离心增压机的叶轮为半开式，膨胀机和增压机都是单机的。膨胀机是深冷站制冷系统的主要设备，它担负着制冷和回收能量的重要作用。高、低压膨胀机的设计流量分别为18623/17388Nm3/h,转速为39000/47000r/min，高、低压膨胀机进口温度为-69.15/21.55℃,出口温度为：-105.32/-39.55℃。通过分析得出了影响膨胀机轴承温度的主要因素有润滑油、水冷却器、密封气、配件质量、维修质量等，其中润滑油的油膜厚度是制约轴承温度的主要原因，而轴承温度是影响膨胀机长周期、高效运行的关键。
1 膨胀机组存在的问题
2005年5月膨胀机组连续一周多出现轴承温度高而连锁停机现象（数据见表1），致使机组处于较低负荷运转状态，制冷负温在-50℃左右，与设计制冷温度相差甚远。
表 1 膨胀机组有故障时的运行参数
2 膨胀机轴承润滑机理
膨胀机的轴和轴承的润滑、冷却主要是靠润滑油，润滑油的主要作用是为轴、轴承、密封提供润滑和冷却作用。轴颈与轴承间形成一定厚度的动压油膜，构成油膜接触，油膜将轴托起，轴承与轴不直接接触，轴与轴承间为液体摩擦，摩擦因数较小。同时，摩擦副间脱落的金属屑、杂质被润滑油带走，减轻磨料磨损，带走摩擦产生的热量，防止轴与轴承温度过高而烧瓦。
3 低压膨胀机的结构及润滑油流程
低压膨胀机的结构主要由膨胀机壳体、转子轴、叶轮、轴承、键、背冒螺栓、隔热盘、背压密封、密封胶圈及温度探头、振动探头等组成。其辅助系统有增压机、密封气系统、冷吹系统、蓄压器、平衡阀等。
低压膨胀机的轴承与轴的润滑采用
L-TSA68号汽轮机油进行润滑，润滑油的粘度指标为55.08～82.28mm2/s,闪点（开口）指标为≥185℃。润滑油的流程是油箱-粗过滤器-油泵-润滑油水冷却器-双联过滤器-管线阀门-机前过滤器-膨胀机的轴、轴承等部位进行润滑。
4 故障排查及分析
4.1 检查仪表系统
察看低膨胀机轴承回油温度现场数据与主控室计算机显示的轴承温度数据对照，再与用红外线测温仪进行测量数据对照，测量的数据基本相同，误差在 2℃左右；检查低膨胀机温度探头安装情况，如果探头安装松动或探头线性不好，也会影响数据变化，对现场的温度进行重新校验，重新确认仪表探头的灵敏度，通过检查未发现任何异常。
4.2 检查油箱的润滑油的化验指标、温度和压力
润滑油化验指标中影响轴承温度的主要是运动粘度和闪电。运动粘度高于标准值时，轴颈与轴承之间油膜的运动阻力大，运动产生的热量不能及时带走，易造成低压膨胀机轴承温度高；运动粘度小于标准值时，轴颈与轴承之间油膜厚度变薄，无法形成动压润滑，轴与轴承间为边界摩擦，此时的摩擦因数几倍于液体润滑，轴与轴承间产生的热量大，易造成低压膨胀机轴承温度高；润滑油闪电低，轴颈与轴承之间无法形成油膜或形成的油膜变薄，轴与轴承间为边界摩擦，易造成低压膨胀机轴承温度高。油箱中润滑油温度对轴承的影响，油箱温度过高（正常油箱温度为58℃），而润滑油水冷却器的换热面积是一定的，润滑油的温度也相应变高，造成低压膨胀机轴承温度升高，油箱压力对轴承温度的影响，油箱压力过高，直接影响润滑油回油箱的速度，这样也易造成低压膨胀机轴承温度升高。因此，要保证低压膨胀机轴承温度不高，必须控制好润滑油的化验指标、油箱温度和压力。
4.3 润滑油水冷却器换热效果
膨胀机润滑油水冷却器是随机引进的换热器 ,换热面积为34m2 ,管束采用铜材质,铜材质的换热效果好于其他材质,介质为循环水,设计来/回水温度为30/60℃，壳程介质为润滑油，设计进/出润滑油温度为60/40℃。来水温度高，经过水冷却器换热后，润滑油温度降不下来，造成低压膨胀机轴承温度升高。润滑油水冷却器换热效果，由于水冷却器长时间使用，管壁结垢，沉积泥砂的堵塞等水冷却器换热效果差，造成低压膨胀机轴承温度高。保证措施是定期对润滑油水冷却器进行清洗，另外控制好动力的循环水来水温度，来水温度控制在30℃以内。
4.4 检查油泵的运行参数
油泵的流量为216L/min,进口压力为0.5MPa，出口压力为4.86MPa。如果油泵的出口压力低，油泵的供油量不足，润滑油循环减慢，润滑油不能正常工作，无法满足轴承及密封的润滑，易造成轴承温度高。这种情况可能是油泵密封损坏，泄漏量大造成的，或是油泵进口过滤气堵塞造成的，也可能是泵叶轮损坏而致，经检查现场油泵的出口压力为4.5MPa，满足膨胀机运行需要。
4.5 检查管线
回油的汇管多年运行积垢多不畅通，影响轴承回油量，或是调节阀堵塞开关不灵活，造成油路不畅通，影响轴承温度等。在停机时，对膨胀机的所有润滑油管路和调节阀进行检查、清洗，同时用仪表风进行吹扫管线，未发现任何异物。
4.6 检查膨胀机的配件质量
目前，膨胀机的配件都使用国产化研制加工的配件，轴承是由四川简阳低温设备厂加工的配件，怀疑有质量问题，轴承回油孔方位不对或孔小，造成回油不畅通，与引进配件对比，同时检查油孔是否有堵塞，并用仪表风进行吹扫，未发现异常。检查隔热盘的回油孔存在堵塞的现象，经检查轴承及隔热盘。不是造成低压膨胀机轴承温度的原因。
4.7 检查配合间隙
轴承与轴的配合间隙过小，造成轴承与轴之间的油膜厚度过小，致使轴承与轴颈产生边缘摩擦，造成轴承温度过高。经检查维修记录，装配尺寸符合规程要求。
4.8 密封气的压力调节不正确
为了防止油进入到工艺气体中，或工艺气体和油接触，在迷宫密封中间注入一股密封气，密封气的流量稍高于从密封中的泄漏量，密封气的压差为0.15MPa。另外，密封气中不能含有重烃，重烃会造成润滑油粘度下降。经检查未发现异常。
4.9 仪表软件故障
从现场逐一排查，未找到膨胀机轴承温度高的根源，检查计算机程序系统，经检查发现仪表软件故障所致，故障排除后，膨胀机运行轴承温度正常，参数见表2。
膨胀机的轴和轴承的润滑、冷却主要是靠润滑油，润滑油的主要作用是为轴、轴承、密封提供润滑和冷却作用。轴颈与轴承间形成一定厚度的动压油膜，构成油膜接触，油膜将轴托起，轴承与轴不直接接触，轴与轴承间为液体摩擦，摩擦因数较小。同时，摩擦副间脱落的金属屑、杂质被润滑油带走，减轻磨料磨损，带走摩擦产生的热量，防止轴与轴承温度过高而烧瓦。
3 低压膨胀机的结构及润滑油流程
低压膨胀机的结构主要由膨胀机壳体、转子轴、叶轮、轴承、键、背冒螺栓、隔热盘、背压密封、密封胶圈及温度探头、振动探头等组成。其辅助系统有增压机、密封气系统、冷吹系统、蓄压器、平衡阀等。
低压膨胀机的轴承与轴的润滑采用
L-TSA68号汽轮机油进行润滑，润滑油的粘度指标为55.08～82.28mm2/s,闪点（开口）指标为≥185℃。润滑油的流程是油箱-粗过滤器-油泵-润滑油水冷却器-双联过滤器-管线阀门-机前过滤器-膨胀机的轴、轴承等部位进行润滑。
4 故障排查及分析
4.1 检查仪表系统
察看低膨胀机轴承回油温度现场数据与主控室计算机显示的轴承温度数据对照，再与用红外线测温仪进行测量数据对照，测量的数据基本相同，误差在 2℃左右；检查低膨胀机温度探头安装情况，如果探头安装松动或探头线性不好，也会影响数据变化，对现场的温度进行重新校验，重新确认仪表探头的灵敏度，通过检查未发现任何异常。
4.2 检查油箱的润滑油的化验指标、温度和压力
润滑油化验指标中影响轴承温度的主要是运动粘度和闪电。运动粘度高于标准值时，轴颈与轴承之间油膜的运动阻力大，运动产生的热量不能及时带走，易造成低压膨胀机轴承温度高；运动粘度小于标准值时，轴颈与轴承之间油膜厚度变薄，无法形成动压润滑，轴与轴承间为边界摩擦，此时的摩擦因数几倍于液体润滑，轴与轴承间产生的热量大，易造成低压膨胀机轴承温度高；润滑油闪电低，轴颈与轴承之间无法形成油膜或形成的油膜变薄，轴与轴承间为边界摩擦，易造成低压膨胀机轴承温度高。油箱中润滑油温度对轴承的影响，油箱温度过高（正常油箱温度为58℃），而润滑油水冷却器的换热面积是一定的，润滑油的温度也相应变高，造成低压膨胀机轴承温度升高，油箱压力对轴承温度的影响，油箱压力过高，直接影响润滑油回油箱的速度，这样也易造成低压膨胀机轴承温度升高。因此，要保证低压膨胀机轴承温度不高，必须控制好润滑油的化验指标、油箱温度和压力。
4.3 润滑油水冷却器换热效果
膨胀机润滑油水冷却器是随机引进的换热器 ,换热面积为34m2 ,管束采用铜材质,铜材质的换热效果好于其他材质,介质为循环水,设计来/回水温度为30/60℃，壳程介质为润滑油，设计进/出润滑油温度为60/40℃。来水温度高，经过水冷却器换热后，润滑油温度降不下来，造成低压膨胀机轴承温度升高。润滑油水冷却器换热效果，由于水冷却器长时间使用，管壁结垢，沉积泥砂的堵塞等水冷却器换热效果差，造成低压膨胀机轴承温度高。保证措施是定期对润滑油水冷却器进行清洗，另外控制好动力的循环水来水温度，来水温度控制在30℃以内。
4.4 检查油泵的运行参数
油泵的流量为216L/min,进口压力为0.5MPa，出口压力为4.86MPa。如果油泵的出口压力低，油泵的供油量不足，润滑油循环减慢，润滑油不能正常工作，无法满足轴承及密封的润滑，易造成轴承温度高。这种情况可能是油泵密封损坏，泄漏量大造成的，或是油泵进口过滤气堵塞造成的，也可能是泵叶轮损坏而致，经检查现场油泵的出口压力为4.5MPa，满足膨胀机运行需要。
4.5 检查管线
回油的汇管多年运行积垢多不畅通，影响轴承回油量，或是调节阀堵塞开关不灵活，造成油路不畅通，影响轴承温度等。在停机时，对膨胀机的所有润滑油管路和调节阀进行检查、清洗，同时用仪表风进行吹扫管线，未发现任何异物。
4.6 检查膨胀机的配件质量
目前，膨胀机的配件都使用国产化研制加工的配件，轴承是由四川简阳低温设备厂加工的配件，怀疑有质量问题，轴承回油孔方位不对或孔小，造成回油不畅通，与引进配件对比，同时检查油孔是否有堵塞，并用仪表风进行吹扫，未发现异常。检查隔热盘的回油孔存在堵塞的现象，经检查轴承及隔热盘。不是造成低压膨胀机轴承温度的原因。
4.7 检查配合间隙
轴承与轴的配合间隙过小，造成轴承与轴之间的油膜厚度过小，致使轴承与轴颈产生边缘摩擦，造成轴承温度过高。经检查维修记录，装配尺寸符合规程要求。
4.8 密封气的压力调节不正确
为了防止油进入到工艺气体中，或工艺气体和油接触，在迷宫密封中间注入一股密封气，密封气的流量稍高于从密封中的泄漏量，密封气的压差为0.15MPa。另外，密封气中不能含有重烃，重烃会造成润滑油粘度下降。经检查未发现异常。
4.9 仪表软件故障
从现场逐一排查，未找到膨胀机轴承温度高的根源，检查计算机程序系统，经检查发现仪表软件故障所致，故障排除后，膨胀机运行轴承温度正常，参数见表2。
表2 膨胀机组故障排除后的运行参数
5 结论
膨胀机组是深冷站制冷系统的主要机组，要保证膨胀机组平稳、高效运行，降低故障频率，就必需严格控制机组的运行参数，保证机组在Z佳状态下运行，同时把好配件质量关和维修质量关，减少停车次数，避免损害膨胀机。
膨胀机组是深冷站制冷系统的主要机组，要保证膨胀机组平稳、高效运行，降低故障频率，就必需严格控制机组的运行参数，保证机组在Z佳状态下运行，同时把好配件质量关和维修质量关，减少停车次数，避免损害膨胀机。