1、概述
空气压缩机组是2# PTA装置的核心机组，由沈鼓集团制造，为我国大型PTA装置用空气压缩机组的首次国产化应用。机组采用集中润滑油站供油，主要由汽轮机、空气压缩机和尾气膨胀机三部分组成。汽轮机采用了杭州汽轮机股份有限公司设计制造的凝汽式蒸汽轮机实现装置低品位副产蒸汽的能量回收，空气压缩机采用了大型齿轮整体组装式离心结构，尾气膨胀机采用了大型齿轮整体组装式向心结构完成氧化尾气能量回收。汽轮机、空气压缩机、尾气膨胀机间以膜片联轴器连接实现扭矩传递、机组功率平衡的功能，结构布置见图1。
图1 PTA空气压缩机组组成
尾气膨胀机主要作用是回收工艺流程中产生的尾气的能量，依靠尾气对叶轮的冲击做功，推动尾气膨胀机运转，平衡空压机组整体轴功率分配，降低蒸汽透平蒸汽消耗，充分利用高温尾气膨胀做功回收能量以达到节能降耗的目的。其采用多轴齿轮组装向心式结构，为2级2段膨胀，2级膨胀均采用半开式三元叶轮级，第一级与第二级采用不同转速，分别与两个小齿轮连接，确保较高的能量回收效率与可靠的性能。尾气膨胀机性能参数见表1。
表1 尾气膨胀机性能参数
膨胀机设计使用的大齿轮轴推力轴承为径向推力轴承一体化结构，推力轴承为固定瓦推力轴承类型，为斜-平面扇形结构。正常运行情况下，特殊的斜-平面结构推力面与大齿轮轴推力盘间构成楔形以便产生楔形效应。在载荷稳定连续运转的条件下，固定瓦推力轴承承载能力比同尺寸可倾瓦推力轴承高10%-17%，且结构简单，安装制造方便。
2#PTA装置于2018年4月恢复运行，6月开始尾气膨胀机大齿轮轴推力轴承出现轴承温度高、持续周期性波动的问题，给机组的安全长周期稳定运行带来了极大的隐患。
2、故障现象与原因分析
①故障现象
2018年6月开始，PTA二线膨胀机大齿轮轴推力轴承温度开始出现缓慢上涨，由正常值82℃左右最高上升至116℃，在温度峰值运行3-4天后，突然下降至90℃左右，再次呈现缓慢上涨、峰值稳定、突然下降的现象，如此持续往复，趋势如图2所示。
图2 推力轴承温度TI1146A变化趋势
润滑油供油温度保持在40-44℃，进入膨胀机润滑油总管路压力为0.23MPa，膨胀机一级入口压力波动范围为0.97-1.05MPa，机组为恒工作转速(4285rpm)，由于机组在运行约2个月后才开始出现大齿轮轴推力瓦温度异常波动的现象，初步分析主推力面有可能发生了积碳(结焦)现象。止推轴承瓦块积碳(结焦)，使止推间隙减小，同时影响散热，导致轴承瓦块温度高。因为温度升高速度缓慢，温度降低迅速，符合结碳特点，即结碳缓慢，积碳脱落迅速。
根据生产物料平衡以及经营安排，该装置于2018年11月停车检修。在此期间对膨胀机大齿轮轴推力轴承进行了拆检，发现主推力面存在较严重的积碳(结焦)现象，积碳面积约为推力面积的30%，且未发现有明显的油楔，即原设计的斜－平面结构出现磨损，未能正常形成油楔。
②原因分析
通常情况下，可能导致轴瓦磨损的原因较多，比如转子轴系装配超差、推力盘变形或平面度异常、推力面光洁度超差、巴士合金质量不合格、转子轴向载荷过大、电化学腐蚀、轴瓦供油量不足、润滑油品质达不到要求、设计缺陷等。
1)从异常情况发生的时间维度分析
由于大齿轮轴推力轴承温度异常现象是在机组经过检修稳定运行2个月后才开始出现，通过故障树分析法，可初步排除转子轴系装配超差、推力盘变形或平面度异常、推力面光洁度超差、巴氏合金质量不合格的问题。
2)从机组日常运行管理的角度分析
结合现场检查以及润滑油质量定期监测，该装置空压机组润滑油于2018年3月更换，定期监测分析润滑油质量较为稳定(见表2所示)，均未超出《L-TSA汽轮机油换油指标》(NB/SH/T0636-2013)的技术要求。机组润滑油供油温度保持在40-44℃，相对稳定，膨胀机侧润滑油总管供油压力稳定为0.13MPa，油温、油压均未出现大幅波动的情况。因此，基本上可以排除润滑油品质达不到要求、机组轴瓦供油量不足的问题。
表2 机组润滑油质量分析数据
3)从停机检查的情况分析
推力轴承推力面的磨损、积碳情况并不符合电化学腐蚀的特征，未出现电蚀凹坑以及“麻点”现象，进一步检查机组静电接地碳刷、静电接地线均接触良好，电阻值为0.8-2.6Ω，均符合不超过4Ω的标准要求。因此，基本上可以排除电化学腐蚀的可能性。
4)从机组布置结构角度分析
由于大齿轮轴系是相对独立的系统，尾气经过一、二级做功膨胀后，将热能转化为大齿轮轴的动能，通过压缩机－膨胀机之间的联轴器以扭矩输出的形式，将轴功率输入到压缩机。根据压缩机的运行状况，汽轮机、压缩机、膨胀机始终处于轴功率动态平衡的状态。
从压缩机向膨胀机方向看，大齿轮轴为逆时针方向旋转。根据理论力学原理，对大齿轮轴受力作定性分析，正常运行情况下，推力轴承主推力面承受的轴向推力最大，该区域形成的油膜载荷最大，产生的热量最高，为此主推力瓦温相对较高，与实际情况一致。
由于膨胀机一级入口压力为0.97-1.05MPa，温度为175℃，为两级加热设计，二级出口压力为0.2-0.32kPa，温度为35-42℃，工艺条件均在设计范围内，且压缩机运行也较为稳定，结合机组历史运行情况，可初步排除转子轴向载荷过大的问题。
5)大齿轮轴径向推力轴承的结构分析
发现大齿轮轴推力轴承设计存在两个问题：一是推力轴承推力面与大齿轮轴推力盘间形成的供油油膜为二次油，即由于没有单独的推力轴承供油油路，推力轴承的供油为径向轴承使用后的润滑油，在转子转动作用下进入推力轴承与推力盘间形成油膜；二是回油U形槽为封闭结构，做功后的热油无法及时顺畅的将热量带走。
如果能通过合适的方法，将推力轴承尤其是主推力面的供油方式改为一次油，降低润滑油供油温度，并且将做功后的热油及时顺畅排出，在机组其他参数保持稳定的情况下，有效降低主推轴承温度。
3、解决措施
为降低主推力轴承工作温度，经过与沈鼓进行充分讨论评估，从降低主推力轴承供油温度和增大热油回油量两个方面做改进，结合斜-平面扇形固定推力轴承的结构特点和实际情况，对主推力轴承U形槽作进一步优化(如图3所示)。
图3 推力轴承结构优化
受结构布局的限制(主要中分面有螺栓孔、销孔等)，为最大限度降低主推力轴承供油温度，只能增大一次油进油量。因此需对主推力轴承上、下瓦对称3个U形槽开6-Φ4的通孔，并且与主进油槽相通。同时，以主推力轴承面为静止参考面，则推力盘的回转方向为逆时针回转，在楔形角的作用下，最终的热油汇集至U形槽，在驱动势能的作用下向外侧溢出，这就需要适当降低外溢阻力，确保在油膜刚度稳定形成的前提下，热油可以顺畅外溢及时带走产生的热量。因此需要在主推力面12个U形槽顶部均增加卸油槽，通过计算需设定卸油槽角度为60°，深度为2mm的等边V形槽。
V形槽增设位置位于斜－平面扇形固定轴承U形槽顶部，该部分主要为巴氏合金层，增设V形卸油槽主要目的是降低外溢阻力，增大热油外泄量，促使高温热油及时排入齿轮箱体，因此根据《离心式空气压缩机维护检修规程》(SHS01018-2004)的相关要求，在加工过程中V 形槽不得出现裂纹、剥落、划痕以及毛刺，表面粗糙度为Ra0.8。
可增加单位供油面积： A＝πr2＝3.14×(4/2)2＝12.56(mm2)
单位U形槽开卸油V形槽面积为：
因此，根据上述计算可得：
主推力轴承可增加总供油面积为： As＝6A＝6×12.56＝75.36(mm2)
主推力轴承V形卸油槽总面积为： Ao＝12A1＝12×2.31＝27.72(mm2)
由上式可得：As＞Ao
即相较于原推力轴承的设计条件，在增加冷油单位供油面积的同时也增大了热油的卸油面积，可降低卸油阻力，理论上可实现主推力轴承运行温度降低的目的。
4、效果验证
通过对膨胀机大齿轮轴推力轴承备件进行结构改进，并且利用2018年11月装置停车检修的契机进行了更换，检查大齿轮轴径向轴承配合间隙和推力间隙在设计范围内，其他各部位复核均满足安装技术要求。
机组在2019年2月开车运行以来，膨胀机大齿轮轴推力轴承温度一直保持稳定，温度测点TI-1146A/B温度值分别保持在62、68℃左右。改造前后，主推力轴承温度TI-1146A/B 分别同比下降约38、48℃，符合理论预期。
5、结论
①推力轴承温度长期高于95℃时，应引起重点关注，因为在这个温度范围内，极易在巴氏合金层面发生积碳、结焦现象，由此会导致轴承温度进一步升高，甚至会出现巴氏合金软化、迁移，严重时还会出现烧瓦的情况。
②在保证推力轴承总体结构设计不变的前提下，结合具体实际运行情况，通过适当改进润滑油供油方式以降低热油卸油阻力，可改善单位油膜的形成，有效提升大齿轮轴主推力轴承的运行可靠性。
③在化工生产过程中，设备管理尤其是大型机组设备涉及到的专业比较多，遇到技术问题往往需要从工艺、电气、仪表、机械等不同的专业角度进行综合性分析，以设备全寿命周期要素管理为切入点，提升问题分析的针对性和有效性，以提升设备运行本质安全可靠。
作者：沈意凌