賈品元

（長(zhǎng)慶油田公司第五采油廠(chǎng)， 陜西 西安 710200）

5125五柱塞注水泵曲軸抱瓦原因分析與解決措施

賈品元

（長(zhǎng)慶油田公司第五采油廠(chǎng)， 陜西 西安 710200）

針對(duì)FF5125S-27/25五柱塞注水泵曲軸頻繁抱瓦現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解體，查找分析原因，制定出解決措施，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，解決了存在的問(wèn)題，提出有效的改進(jìn)措施及建議。

注水泵；曲軸抱瓦；原因分析；解決措施

柱塞式注水泵是油田注水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要承擔(dān)油田開(kāi)發(fā)的超前注水、同步注水任務(wù)，來(lái)補(bǔ)充地層能量，以便獲得最高采收率。某采油廠(chǎng)姬15計(jì)量接轉(zhuǎn)站投運(yùn)于2010年6月，安裝5125S-27/25五柱塞泵4臺(tái)，主要擔(dān)負(fù)著黃57區(qū)塊注水任務(wù)，但在泵實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)曲軸抱瓦故障，嚴(yán)重影響了該區(qū)塊的注水任務(wù)。作為設(shè)備管理部門(mén)應(yīng)全面掌握注水設(shè)備的完好情況，分析查找故障原因，及時(shí)排除設(shè)備故障，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。表1為姬15轉(zhuǎn)FF5125S-27/25泵銘牌參數(shù)。

表1

一、故障現(xiàn)象

1.曲軸箱溫度居高不下

自2010年6月開(kāi)機(jī)以來(lái)，2#、3#、4#泵動(dòng)力端曲軸箱最高溫度達(dá)到70℃左右，雖然采取了多項(xiàng)措施，但效果并不理想。

2.曲軸抱死

運(yùn)行過(guò)程中先后出現(xiàn)十字頭軸瓦磨損，曲軸抱死，部分還有曲軸銷(xiāo)磨十字頭（圖1、2）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，潤(rùn)滑油池鐵沫較多，曲軸燒傷變色、曲軸瓦嚴(yán)重磨損變型，有大量的鐵屑脫落。表2為姬15轉(zhuǎn)FF5125S-27/25注水泵故障統(tǒng)計(jì)障情況。

圖1 十字頭軸套磨損情況

圖2 曲軸燒傷情況

表2

二、曲軸抱瓦原因查找及分析

現(xiàn)場(chǎng)解體泵動(dòng)力端發(fā)現(xiàn)，連桿小頭軸套有轉(zhuǎn)動(dòng)、堵塞油孔。燒曲軸的原因首先應(yīng)考慮連桿小頭軸套轉(zhuǎn)，堵塞油孔造成軸套無(wú)油或貧油，軸套溫度升高，磨下的鐵沫堵塞連桿大頭軸瓦油孔最終造成軸瓦因缺油而與曲軸燒蝕。

1.柱塞泵曲軸抱瓦的常見(jiàn)原因剖析

（1）潤(rùn)滑油變質(zhì)、機(jī)油雜質(zhì)過(guò)多、進(jìn)油孔堵塞、機(jī)油過(guò)少、機(jī)油牌號(hào)不對(duì)。

①當(dāng)曲軸箱由于某種原因進(jìn)水，會(huì)使機(jī)油乳化呈現(xiàn)乳白色，黏度下降。使?jié)櫥驮谳S瓦和軸頸間的附著能力下降，影響潤(rùn)滑油膜的形成，這時(shí)容易在軸瓦和軸頸之間形成黏合磨損，導(dǎo)致軸瓦表面粗糙度增大，摩擦力增大，溫度升高，最后發(fā)生燒瓦事故。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油未變質(zhì)。

②潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)主要是潤(rùn)滑油中的砂粒、灰塵以及泵內(nèi)金屬磨屑，這些雜質(zhì)進(jìn)入軸瓦和軸頸間隙中，使軸瓦嵌油面積減小，并形成磨粒磨損，同時(shí)機(jī)油中的雜質(zhì)過(guò)多還容易堵塞軸瓦蓋上的機(jī)油流道，使軸瓦間隙內(nèi)供油不足產(chǎn)生黏合磨損。這兩種磨損共同作用的的結(jié)果使軸瓦溫度升高，間隙變小，最后導(dǎo)致燒瓦事故。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，油池鐵沫較多，油道有堵塞現(xiàn)象。

③由于柱塞泵采用的是飛濺式潤(rùn)滑，當(dāng)潤(rùn)滑油液位低于規(guī)定的下限時(shí)，曲軸及連桿的帶油能力下降，造成軸瓦和軸頸間的供油不足，不能形成足夠的潤(rùn)滑油膜，就會(huì)出現(xiàn)軸瓦與軸頸干磨，發(fā)生燒瓦甚至抱軸事故。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)，油池油位正常。

④柱塞泵要求使用規(guī)定牌號(hào)的潤(rùn)滑油（C C 15W/40），若潤(rùn)滑油牌號(hào)不對(duì)，黏度過(guò)大流動(dòng)困難，潤(rùn)滑油不能順利進(jìn)入軸瓦和軸頸間隙內(nèi)，就會(huì)造成供油不足。如果選用黏度低的潤(rùn)滑油，使?jié)櫥驮谳S瓦間隙內(nèi)附著能力下降，油膜承載能力下降，這些因素都容易造成黏合磨損，繼而出現(xiàn)燒瓦事故?，F(xiàn)場(chǎng)落實(shí)，使用潤(rùn)滑油為蘭州潤(rùn)滑油廠(chǎng)生產(chǎn)的昆侖牌15W/40C F-4潤(rùn)滑油，為物資采購(gòu)管理部統(tǒng)一采購(gòu)，潤(rùn)滑油牌號(hào)、級(jí)別均符合使用規(guī)定，潤(rùn)滑油不存在問(wèn)題。

（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)的影響。

用變頻調(diào)速系統(tǒng)控制的注水泵，是根據(jù)系統(tǒng)壓力的設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的頻率和轉(zhuǎn)速，有時(shí)由于頻率低，電機(jī)轉(zhuǎn)速低。此時(shí)曲軸連桿帶油能力下降，潤(rùn)滑油不能連續(xù)進(jìn)入軸瓦內(nèi)，不能在軸瓦間隙中形成穩(wěn)定的油膜，因此，當(dāng)泵速過(guò)低時(shí)，易形成黏合磨損。該站未采用變頻調(diào)速。

（3）啟泵前未盤(pán)泵和空載運(yùn)行、啟泵后馬上升壓甚至帶壓?jiǎn)⒈谩?/p>

長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)的泵曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油溫度低，黏度大、流動(dòng)性差，如果啟泵前未經(jīng)盤(pán)泵和空載運(yùn)轉(zhuǎn)，啟泵后馬上升壓或帶壓?jiǎn)⒈?，此時(shí)沒(méi)有足夠的潤(rùn)滑油進(jìn)入軸瓦間隙內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間的黏合磨損。如果長(zhǎng)期使用這種方法操作，就會(huì)使軸瓦、軸頸摩擦面積增大，潤(rùn)滑狀況進(jìn)一步惡化，從而產(chǎn)生燒瓦事故。經(jīng)核實(shí)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)違章操作。

（4）液力端閥片損壞。

連桿在返回的行程受高壓水推動(dòng)，造成軸瓦和軸頸的沖擊、交變載荷次數(shù)增多，引起軸瓦溫度升高。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)閥片未損壞。通過(guò)上述造成曲軸抱瓦原因分析，初步認(rèn)為造成曲軸抱瓦的原因主要是由于曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑不良造成。

2.抱瓦原因的進(jìn)一步分析

為了查找造成潤(rùn)滑不良原因，確保注水任務(wù)不受影響。廠(chǎng)部高度重視，成立專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查小組，及時(shí)采取以下措施。

（1）及時(shí)聯(lián)系廠(chǎng)家技術(shù)人員對(duì)事故泵進(jìn)行全面解體，解體發(fā)現(xiàn)：十字頭軸套有轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，軸套轉(zhuǎn)動(dòng)造成磨損或雜質(zhì)部分堵塞油孔，引起軸瓦潤(rùn)滑不良，局部溫升高進(jìn)一步惡化潤(rùn)滑條件，最終導(dǎo)致曲軸燒蝕。以前軸套是6-6-3銅棒車(chē)成，很少出過(guò)問(wèn)題，目前使用的軸套為10-10銅棒軸瓦廠(chǎng)卷制軸套。

（2）現(xiàn)有泵功率較大，卷制軸套變形過(guò)大，受力不均衡，造成局部過(guò)載，早期磨損失效。但現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)也有軸套沒(méi)轉(zhuǎn)燒軸瓦，還有曲軸銷(xiāo)磨十字頭，磨下的鐵沫堵塞軸瓦油孔最終造成曲軸燒蝕。

（3）現(xiàn)象比較復(fù)雜，一時(shí)還找不到主要原因。筆者決定從廠(chǎng)家新泵出廠(chǎng)試驗(yàn)著手，從源頭上查找原因。要求廠(chǎng)家對(duì)同型號(hào)泵進(jìn)行模擬試驗(yàn)。下表為廠(chǎng)家反饋的模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行記錄表,要求加裝強(qiáng)制潤(rùn)滑裝置。實(shí)驗(yàn)記錄見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，泵內(nèi)溫度一直在65℃居高不下，從上表可以看出：

首先，截止停泵時(shí)間，泵溫仍在高溫相持階段，仍有兩種可能：一是降至正常溫度＜50～55℃；二是燒住。但據(jù)廠(chǎng)家解釋,由于試驗(yàn)條件所限：大罐循環(huán)水溫度已接近油溫，不利散熱，故再試意義不大，只得停泵。

其次，根據(jù)試泵經(jīng)驗(yàn)：一般在運(yùn)行壓力下12～15h后，泵溫達(dá)到最高點(diǎn)，15～20h后，泵溫降至正常溫度（＜50～55℃）；最高溫度(國(guó)標(biāo)規(guī)定油池油溫＜75℃)與正常溫度相差10～15℃。

（4）對(duì)主要部件進(jìn)行強(qiáng)度分析校核：5125系列φ55柱塞20MPa沖次325min-1。

①柱塞力F=0.785×5.52×200=4750kgf

②軸瓦比壓px=F/(d×b)=4750/(12.5×6.5)=58.5 kgf/cm2=5.9MPa；軸頸線(xiàn)速度V=π dn=3.14×0.125×325/60=2.13m/s軸瓦材料20%鋁錫合金AlSn20Cu［px］=20MPa＞px，［V］=14m/s＞V，材料滿(mǎn)足。

③軸套比壓px=F/(d×b)=4750/(6.5×6.0)=122 kgf/cm2=12.2MPa；

軸套線(xiàn)速度V=π dn=3.14×0.065×325/60=1.1m/s

pxV=12.2×1.1=13.4MPa.m/s

表3 模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行壓力20MPa試驗(yàn)記錄

軸套材料20%鋁錫合金AlSn20Cu［px］=20MPa＞px，［V］=14m/s＞V，材料滿(mǎn)足。

④潤(rùn)滑油量Q

飛濺潤(rùn)滑：Q=(0.5～0.7)N=110～154L（經(jīng)驗(yàn)公式）

式中：N——泵功率，kW。

據(jù)測(cè)算，現(xiàn)有的5125系列曲軸箱油池潤(rùn)滑油量為80～90L，未達(dá)到110～154L規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

三、針對(duì)分析報(bào)告采取的措施

1.采取以下整改措施

（1）將現(xiàn)有的軸套改成整體離心制造并加厚，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

（2）要求廠(chǎng)家改進(jìn)設(shè)計(jì)，加厚軸套和在軸套內(nèi)增加油槽，以提高強(qiáng)度和潤(rùn)滑性。5125軸套加3道軸向槽。

（3）對(duì)十字頭材質(zhì)作進(jìn)一步化驗(yàn)，是否達(dá)到球鐵牌號(hào)。

（4）十字頭銷(xiāo)加防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。（5）加強(qiáng)制潤(rùn)滑，機(jī)油過(guò)濾部件，改善潤(rùn)滑條件。（6）十字頭滑道孔精加工工藝，十字頭外圓精磨。（7）將原5125泵體模型重做：油池加深50mm，泵體下加散熱筋。

2.采取施后取得的效果

（1）經(jīng)廠(chǎng)家反饋的十字頭材質(zhì)報(bào)告，符合球鐵900機(jī)械性能。

（2）除泵體未進(jìn)行重做（油池加深50mm，泵體下加散熱筋）外，其余均按上述要求改進(jìn)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況：經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，我們發(fā)現(xiàn)，油池磨粒明顯減少，新改進(jìn)的整體十字頭軸套承載能力明顯高于老軸套。新軸套在原材料、加工工藝、使用效果等方面均優(yōu)越于卷制軸套。圖3、4分別為新舊十字頭軸套實(shí)物圖。

（4）經(jīng)過(guò)更換軸套等措施，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的2#、3#、4#泵還是存在抱瓦現(xiàn)象，降溫效果不是很明顯。隨著出口壓力增加，泵功率增加,泵體溫度隨之升高，更換軸套還不能徹底解決曲軸抱瓦。

3.重做泵體模型，油池加深50mm，泵體下加散熱筋

上述措施諸多措施的實(shí)施，還未能徹底解決曲軸抱瓦故障，要求廠(chǎng)家重做泵體模型，油池加深50mm，泵體下加散熱筋，重做的泵體運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，將現(xiàn)有泵體機(jī)身全部更換，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，從2010年更換后至2015年底泵整體運(yùn)行正常，再未發(fā)生過(guò)曲軸抱瓦故障。

圖3 卷制十字頭軸套

圖4 整體離心加工十字頭軸套

四、結(jié)語(yǔ)

（1）目前該泵型曲軸箱油池偏小，潤(rùn)滑油儲(chǔ)量為80～90L,根據(jù)計(jì)算需110～154L潤(rùn)滑油。當(dāng)泵功率增大時(shí)，由于潤(rùn)滑油偏少，是曲軸箱發(fā)熱的主要原因，最終導(dǎo)致抱瓦現(xiàn)象發(fā)生。

（2）從目前使用的5125系列注水泵來(lái)看，電機(jī)功率在185kW以下（含185kW）均未出現(xiàn)過(guò)抱瓦現(xiàn)象，曲軸箱溫度在50℃以下，而2011年姬十五轉(zhuǎn)投用的5125-27/25泵，配套功率為220kW。分析認(rèn)為5125系列泵最大配套功率應(yīng)在200kW以下，超過(guò)200kW，該泵型已超過(guò)最大設(shè)計(jì)能力，各運(yùn)動(dòng)部件超出承載能力，無(wú)法保證泵正常運(yùn)行，選型上存在一定缺陷。

（3）對(duì)于超過(guò)220kW的5125系列泵型，泵體模型應(yīng)重做，加大機(jī)身，油池加深50mm，泵體下加散熱筋，確保潤(rùn)滑油足夠。

[1]機(jī)電工程手冊(cè)編委會(huì)，機(jī)械工程手冊(cè)泵[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]汪德濤，潤(rùn)滑油及潤(rùn)滑脂實(shí)用手冊(cè)[M].廣東科技出版社，2003.

[3]（美）IJ.卡拉西克，泵手冊(cè)[M].中國(guó)石化出版社，2003.

[4]李柱國(guó)主編，內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承[M].上海交通大學(xué)出版社，2003.

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