沈登海

(中國石油西部管道公司，烏魯木齊 830011)

RB211-24G燃?xì)獍l(fā)生器在天然氣管道運輸、發(fā)電企業(yè)應(yīng)用普遍，其合成油供油泵采用西門子委托加拿大凱斯肯公司生產(chǎn)的專利油泵，主要為燃?xì)獍l(fā)生器前、中、后軸承提供潤滑和可變?nèi)肟趯?dǎo)向葉片(VIGV)的執(zhí)行器提供高壓油。由于燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速與軸承供油壓力、流量息息相關(guān)，以及VIGV工作在高流速、重負(fù)荷條件下，因此燃?xì)獍l(fā)生器對其要求苛刻，其在調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器工作狀態(tài)、拓寬工作范圍等方面效果顯著[1-3]。泵的采購、維護檢修長期依賴凱斯肯公司，并對我國技術(shù)封鎖，特別是中美貿(mào)易問題以來，狀況更加嚴(yán)峻。為了提升合成油泵的自主檢修、運維能力，有必要研究此泵的原理、結(jié)構(gòu)與功能，將其實現(xiàn)國產(chǎn)化，打破國外的技術(shù)壟斷。西門子燃?xì)獍l(fā)生器合成油泵為六齒輪共軸擺線泵，分為低壓泵、高壓泵，前、中、后軸承回油泵。由于原L2(前軸承回油)、L3(中軸承回油)、L4(后軸承回油)碎屑泵的中軸承座與后軸承座的間隙過小，夏季高溫天氣，每天定時濕潤化運行5 min或正常運行時，泵體熱膨脹量大于中后軸承座間隙，導(dǎo)致后軸承、后回油泵齒輪兩側(cè)粘連抱死。西門子曾報道由于后軸承內(nèi)部傳動鍵剪切，后軸承腔無法回油，造成潤滑油在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)溢流著火。

目前，西門子燃?xì)獍l(fā)生器六齒輪共軸擺線泵的損壞形式主要為機械密封泄漏、過渡軸斷裂、擺線齒輪組粘連等。

1 機械密封國產(chǎn)化替代技術(shù)

合成油泵機械密封由彈簧、橡膠傳動件、動靜環(huán)、動靜環(huán)座、O形圈等組成，有4個靜密封點，1個動密封點。

合成油泵上部的機械密封基本處在混合潤滑與邊界潤滑[2]范疇，由于補償環(huán)轉(zhuǎn)動，且在彈簧的作用下，與非補償環(huán)有接觸，機械接觸承擔(dān)高比例載荷，會導(dǎo)致高摩擦或高磨損，通常需要確定彈簧的剛度或壓縮量，保證機械密封運行在混合潤滑的理想狀態(tài)。由于摩擦生熱和磨損過高，大部分材料無法長期在運行條件下工作，導(dǎo)致密封泄漏，主要表現(xiàn)形式有動靜環(huán)端面磨損或偏磨，見圖1中的①，傳動橡膠破裂，唇形密封損壞等現(xiàn)象，見圖1中的③。

圖1 軸端機械密封安裝示意圖

針對機械密封從原廠采購周期長、費用高等問題，聯(lián)系國內(nèi)兩個廠家測繪加工，費用降低至十二分之一，且供貨周期在一個月以內(nèi)，完全滿足零庫存的要求，在連木沁、煙墩、玉門、紅柳進行了測試，運行滿足要求。但其中一家機械密封傳動橡膠有過早破裂的傾向，其改進型號提高了質(zhì)量。國產(chǎn)化測繪加工替代機械密封，必須確定密封端面材料、平衡比、端面寬度、相對軸向剛度、傳熱環(huán)境、力變形錐度、熱變形錐度[4]，可以重新選用新型材料、設(shè)計密封的結(jié)構(gòu)，保證此密封的長周期運行。

2 過渡軸國產(chǎn)化測繪加工

由于西門子燃?xì)獍l(fā)生器合成油泵中的后軸承腔碎屑回油泵故障，發(fā)生多起著火事件。西門子重新設(shè)計了聯(lián)軸器過渡軸，見圖2，安裝在所有西門子合成油泵上。當(dāng)合成油泵扭矩增加到一定數(shù)值，在齒輪傳動鍵被剪切前，首先將過渡軸扭斷，見圖3，使運行泵的供油泵和回油泵同時停止，正常切換到備用泵運行，或正常停機，防止后部軸承部位合成油泄漏進熱通道，引起火災(zāi)事故。

圖2 合成油泵過渡軸

圖3 過渡軸扭矩大斷裂

近幾年，我公司的西門子合成油泵由于過渡軸扭矩大，已損壞了5個過渡軸或聯(lián)軸器傳動銷，見圖4。采購備件費用高、周期長的問題依然存在，為了使機組快速恢復(fù)正常，采取測繪、高精度加工、熱處理工藝等措施實現(xiàn)過渡軸本地化加工，以及傳動銷使用工程塑料加工替換。試驗加工過渡軸在規(guī)定的扭矩值257.59～284.71 N·m范圍內(nèi)能夠扭斷，滿足燃?xì)獍l(fā)生器后部軸承防止著火的要求。上述國產(chǎn)加工的扭矩軸在西氣東輸玉門站、了墩站的西門子燃?xì)獍l(fā)生器上成功應(yīng)用。

圖4 合成油泵半聯(lián)軸器輪轂的結(jié)構(gòu)

3 合成油泵部件國產(chǎn)化測繪加工

凱斯肯公司受西門子的委托，成功完成32 MW級航改型燃?xì)獍l(fā)生器合成油系統(tǒng)的設(shè)計：1. 將大的箱體外合成油撬移到箱體內(nèi)小撬;2. 箱體內(nèi)合成油撬是標(biāo)準(zhǔn)電機驅(qū)動，滿足新的國際設(shè)計協(xié)議，增加整體可靠性，并減少組件的數(shù)量，明顯降低原產(chǎn)品的費用。在咨詢對比各油泵制造廠商的實際使用產(chǎn)品后，最終選擇向凱斯肯定制油泵。

3.1 合成油泵的結(jié)構(gòu)

燃?xì)獍l(fā)生器合成油系統(tǒng)采用兩套集成多回路常壓油泵，滿足空間和費用降低的要求，在系統(tǒng)可靠性方面得到明顯改進，由水平安裝變?yōu)榇怪狈绞剑p聯(lián)設(shè)計電機驅(qū)動油泵確?？煽啃?，一臺運行，一臺備用，但維檢修空間狹小。

合成油泵提供六個獨立的泵回路，由燃?xì)獍l(fā)生器提供潤滑的低壓泵，可變?nèi)肟趯?dǎo)向葉片VIGV執(zhí)行器的高壓泵，前后軸承碎屑回油泵組成，主要為軸承潤滑供應(yīng)一定流量的油壓，如果機械沒有受到過量振動或出現(xiàn)潤滑問題[5]，燃?xì)獍l(fā)生器軸承可以再次使用，否則將需要更換。高、低壓泵分別設(shè)計安全閥，并且在頂部設(shè)計壓力檢驗口，每一個泵回路在泵體進出口處以直螺紋加O形圈與管線連接，泵體與泵蓋以螺栓連接，結(jié)構(gòu)見圖5，參數(shù)見表1。

圖5 合成油泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 合成油泵設(shè)計參數(shù)

內(nèi)容參數(shù)流體介質(zhì)合成酯化基礎(chǔ)油潤滑油回路差壓124.90 L/min1 654.8 kPa前軸承碎屑回油差壓18.92 L/min137.9 kPa中軸承碎屑回油差壓83.27 L/min137.9 kPa后軸承碎屑回油差壓83.27 L/min137.9 kPa可變?nèi)肟趯?dǎo)向葉片(VIGV)回路差壓34.06 L/min3 447.5 kPa環(huán)境溫度范圍-45 ℉～250 ℉操作速度3 600 r/min 最大潤滑油泵安全閥2.38 MPa 破裂VIGV安全閥6.8 MPa 破裂

3.2 合成油泵的工作原理

合成油泵包括內(nèi)外兩部分元件，屬于內(nèi)嚙合齒輪泵，其齒形曲線采用擺線，也稱擺線泵，由一對偏心嚙合內(nèi)外轉(zhuǎn)子組成，見圖6。內(nèi)外齒旋轉(zhuǎn)在不同且固定的中心，外轉(zhuǎn)子齒數(shù)較內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)多一個齒。內(nèi)外齒旋轉(zhuǎn)，能形成幾個獨立的封閉空間[6]。隨著內(nèi)外轉(zhuǎn)子的嚙合旋轉(zhuǎn)，各封閉空間的容積將周期性發(fā)生變化。內(nèi)轉(zhuǎn)子的一個齒每轉(zhuǎn)過一周時，完成一個工作循環(huán)，進行一次吸、排油過程，吸、排油口接近泵體，且相互密封獨立。具有多個齒的內(nèi)轉(zhuǎn)子，每轉(zhuǎn)過一周將出現(xiàn)多個吸、排油循環(huán)，便起到連續(xù)輸油的作用。

圖6 內(nèi)外嚙合齒輪結(jié)構(gòu)

3.3 合成油泵故障

合成油泵通常出現(xiàn)振動大和上部齒輪粘連咬合兩種故障，前者對泵的運行影響不大，后者需要更換內(nèi)部齒輪。

3.3.1 合成油泵振動大的處理方法

哈密站由于油泵振動大，導(dǎo)致泵出口管線振動大，檢查泵發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器安裝異常。

清潔合成油泵法蘭面，確保無碎屑，見圖7，測量并記錄泵法蘭面與下半聯(lián)軸器頂部的距離A，距離在91.90～95.96 mm范圍之內(nèi)，然后安裝尼龍傳動銷。

圖7 測量泵靠背輪的尺寸

測量并記錄，泵法蘭面與墊片適配器頂部的距離B，電機安裝法蘭面與上半聯(lián)軸器的距離C，見圖8。計算間隙值B-(A+C)的數(shù)據(jù)，防止中間尼龍銷受到軸向壓力或熱膨脹力，確保間隙在1.5～6.5 mm的范圍內(nèi)。啟機測試泵，運轉(zhuǎn)正常，泵的振動值在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖8 計算聯(lián)軸器的間隙

3.3.2 合成油齒輪粘連咬合

由于共軸油泵的前、中、后碎屑回油泵的中軸承座與后軸承座的間隙過小，特別是西氣東輸管道沿線的新疆戈壁沙漠區(qū)域，夏季高溫天氣，合成油泵運行，泵體熱膨脹量大于中后軸承座間隙，導(dǎo)致后軸承兩側(cè)粘連抱死，繼而損壞過渡軸，合成油泵解體見圖9。

圖9 合成油泵解體檢查

解體合成油泵，發(fā)現(xiàn)上部齒輪及泵的上部腔體磨損，表面有金屬高點，對泵體磨損部位進行表面研磨處理，保證表面光滑平整。

通過研究，按照擺線齒輪的結(jié)構(gòu)、齒數(shù)、材質(zhì)、齒形曲線、偏心距，國內(nèi)加工齒輪組，將中后軸承座間隙尺寸由0.05 mm提高到0.10 mm，其間隙值大于熱膨脹量，加工件與原件對比見圖10。

圖10 合成油泵加工齒輪與損壞齒輪對比

更換新的國內(nèi)加工的齒輪，組裝合成油泵，將其安裝至三線連木沁3#燃?xì)獍l(fā)生器1#合成油泵位置，測量原泵的軸向、徑向位移量，為0.84 mm、0.03 mm，修復(fù)泵的軸向位移量較原泵小0.54 mm，徑向位移量為0.03 mm，工廠測量轉(zhuǎn)子的跳動量為0.07 mm,如圖11。

安裝測試，低壓泵、高壓泵壓力，中軸承供回油壓差，前、中、后回油溫度，供油流量均在正常范圍內(nèi)，滿足機組啟停、正常運行的要求，并在連木沁站測試運行成功。

圖11 檢查合成油泵徑向跳動值

燃?xì)獍l(fā)生器液壓馬達(dá)啟動、點火測試時，記錄合成油系統(tǒng)63QG、63QGCS、63QGJCV，26QGA、26QGB，26QGBCSA、26QGBCSB，26QGBFSA、26QGBFSB，26QGBRSA、26QGBRSB等數(shù)值，見表2，與歷史數(shù)據(jù)或其它運行機組進行對比，完全正常。若不正常，說明合成油泵工作不正常，需要停機。現(xiàn)場測試軸承供回油壓差及流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系完全滿足啟停、怠速、正常運行要求。

正常運行，記錄上述參數(shù)，并與正在運行的機組進行對比，啟機測試，轉(zhuǎn)速4 300 r/min時，合成油出口溫度63 ℃，油箱溫度72 ℃，前、中、后回油溫度分別為80 ℃、119 ℃、113 ℃，低壓泵出口壓力1 555.2 kPa，高壓泵出口壓力4 901.9 kPa，中軸承回油壓差232.6 kPa，滿足機組運行要求。對比三臺機組的正常運行時合成油泵低壓泵出口壓力的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3#機組1#合成油泵較另兩臺泵低43～85 kPa，但與3#機2#油泵相當(dāng)，可能與附屬管路的差異有關(guān)，不影響合成油泵各泵的工作壓力及運行工況。

表2 合成油系統(tǒng)檢測記錄數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

通過歷時2年的研究與國產(chǎn)化加工、測試，目前困擾西部管道的西門子燃?xì)獍l(fā)生器合成油泵三大故障，機械密封國產(chǎn)化、過渡軸國產(chǎn)化、合成油泵內(nèi)部齒輪加工與修復(fù)問題，均得到了實質(zhì)性的進展，并在相關(guān)場站進行了現(xiàn)場驗證，各項參數(shù)正常，說明西門子合成油泵自主修復(fù)技術(shù)是可行的。