標題脫氫壓縮機組軸瓦失效分析

 

    摘 要：在對脫氫用離心壓縮機組解體大修時發現其滑動軸承瓦面合金大面積脫落.采用材料性能測試、掃描電鏡觀察、金相檢驗和氫含量測定等方法對該軸瓦進行失效分析并進行流體動壓潤滑理論計算.結果表明:該型軸瓦失效的主要原因為氫氣滲入材料.同時,氫鼓泡和氫致開裂的存在降低了軸瓦上巴氏合金與基體的結合強度及合金的疲勞強度,進而引起軸瓦的疲勞失效.另外,軸瓦的局部過熱和轉子不對中加速了軸瓦失效。

    關鍵詞：壓縮機；巴氏合金；失效；氫

   
    脫氫裝置中的離心壓縮機組為脫氫提供動力，其正常工作時轉速在5200r/min左右，轉子質量為3200kg，工作介質為氫氣，具體結構如圖1所示。

在對該設備解體大修時發現，軸瓦上、下的巴氏合金層表面龜裂，合金大面積脫落。軸瓦的半徑為75mm，寬度為80mm，表面的錫基巴氏合金層厚度為1mm，供油方式為倆側開槽，潤滑油為46號透平油。筆者對該軸瓦進行了理化檢驗和分析，并提出了預防此類失效的一些建議。

1.1 宏觀形貌

    對損壞軸瓦宏觀檢驗發現（圖2），巴氏合金層大面積脫落（下瓦面更嚴重），存在大量裂紋及黑色凹坑，下瓦面可見珠狀粘滯物（見圖2-b）。

1.2 力學性能

    在軸瓦巴氏合金層未損壞位置選取待檢測試樣，采用線切割自軸瓦深度方向截取26mm深、10mm長、3mm寬的試樣。根據GB/T7314-2005標準設計單剪切法的夾具固定試樣并測試其結合強度，在INSTRON1195萬能拉伸試驗機上測試四次得到剪切屈服強度的平均值為46.66MPa，比軸瓦材料的強度56.9Mpa降低了18%。

    線切割制備10mm×10mm×10mm的試樣，采用401MVD顯微硬度計、在50g質量即0.49N載荷下測試8次得到巴氏合金層表面的硬度平均值為17.3HV，比錫基巴氏合金α相的硬度22HV降低了21.4%。

1.3 氫含量

    在軸瓦表面錄取一片巴氏合金，經打磨清洗，測試氫含量。在鋼背近結合面處沿其深度方向截取5mm深、1mm寬的試樣，作為鋼背近結合面中氫含量測試試樣。經RH-600氫測定儀測試，巴氏合金中氫含量（質量分數，下同）為0.058%，鋼背近結合面處的氫含量為0.001%。由于巴氏合金軸瓦的運行工況比較惡劣，一般要求氫含量＜0.00014%，可見，巴氏合金中氫含量超標兩個數量級，鋼背近結合面處氫含量超標一個數量級。

    另外，根據檢修記錄發現兩級轉子氣封間隙在修前都超標；低氣壓缸的已損壞軸承殼測得的數據表明其頂隙超標（止推測軸承頂隙為0.285mm，技術要求為0.18-0.225mm），油封間隙也超標（油封間隙為0.99mm，技術要求為0.40-0.55mm）。

    間隙超標導致壓縮氫氣泄露進入軸承中，氫氣在油中的低溶性和高擴散性容易加速軸瓦表面失效。圖3和圖4證實巴氏合金表面與鋼背界面均存在明顯的鼓泡。從圖5階梯裂紋和合金剝落。

         

1.4 顯微組織

    由金相檢驗結果可見，巴氏合金表面主裂紋周邊衍射出大量裂紋分支，使整個表面裂紋分布呈鱗片狀（圖6）；其縱深方向的裂紋已到達結合面，且有轉向趨勢（圖7）。

1.5 端口形貌

    圖8為端口形貌，可見明顯的棒狀組織，斷裂形式為沿晶斷裂，且端口表面存在大量微米級顯微孔洞。棒狀組織經X射線能譜分析（圖9）發現其主要為ε相（Cu₆Sn₅），并有少量β相（SnSb）。銅含量遠遠超標，達29.98%（合金中含銅不應超過6%），造成ε相偏析，而ε相屬脆性相，容易導致表面開裂。

從圖10可見，軸瓦工作表面上呈石紋狀，并有輕微起伏現象，這反映了局部高溫引起的燒熔和高溫蠕變現象。

         

         

1.6 震動數據及相關測試數據

    大修前的歷史數據顯示四個軸承座處的軸承振動圖譜特征相似，其渦流位移傳感器的分布位置見圖1中a-f。以低壓氣缸排氣端軸承為例，其振動譜圖見圖11其波形呈M形，可初步判斷為對中不良；頻譜圖及瀑布圖中二倍頻成分甚至高于工頻，軸心軌跡呈外“8”字，進一步證實了存在轉子不對中故障。

    在設備大修一年后，現場看到密封處冒氣現象，拆檢后發現，拆檢前高壓氣缸進氣側的軸向位移幅值為0.03-0.13mm（技術要求在0-0.10mm），而檢修浮環密封后該處幅值為0.02-0.065mm比大修前減少了一半，說明設備在維修前存在密封泄露，這直接影響到止推軸瓦的極限承載能力以及合金層的磨損速度，為氫致材料退化提供了條件。

采用可變年度有限長假設計算不同偏心率下軸承瓦面的最高溫度和最小油膜厚度，結果見表1.當偏心率達到0.9時溫度超過了150℃，可能存在熱應力對軸瓦的沖擊及局部高溫對材料的破壞。

 

    設備在高速下運行，根據軸承運行，監測數據（圖11）和大修前高壓氣缸進氣側的軸向位移數據可知，軸承與軸瓦的間隙超標改變了軸承的中立特性，引起軸承運轉部穩定而嚴重偏心，使得浮環密封中的彈簧大量斷裂，致使密封失效導致大量的工作介質侵入軸承與軸瓦之間。從表1可知，偏心率達到0.9時，軸瓦表面的溫度可達154℃，除了超過了該合金層所能承受的極限溫度（120℃）外，同時使得軸承和軸瓦之間的潤滑油物化性能發生變化，出現局部油膜過薄甚至破裂，引發干摩擦。從軸瓦面觀察到的燒熔和蠕變（見圖10）證實存在局部過熱。巴氏合金的強度和硬度隨溫度的升高而下降，由此產生疲勞裂紋及其擴展（圖6和圖7）。同時，由于密封的失效和油膜的破裂使得大量工作介質的侵入，則在軸瓦巴氏合金及其與鋼背界面上出現大量氫鼓泡（圖3和圖4），造成結合強度降低。在這種惡劣條件下繼續運轉，使得巴氏合金層大面積脫落（圖2）和裂紋擴展（圖5），最終導致設備大修時發現軸瓦失效。

    （1）軸承存在偏心運行和密封泄露，導致氫的深入和擴散，是軸瓦失效的外因。

    （2）巴氏合金層及其與鋼背界面上明顯的鼓泡及高的氫含量，軸瓦面大量量階梯狀裂紋的存在和斷口的沿晶斷裂，表明氫致材料退化降低了結合度和巴氏合金的疲勞強度，是軸瓦失效的內因。

    （3）燒熔和蠕變現象說明可能存在局部過熱，促進了軸瓦的失效。

    （1）加強密封件檢測以確保其正常工作，改善密封狀況防止工作介質的侵蝕。

    （2）隨時調整設備靜態和動態對中狀況，保證軸承的平穩運轉。

    （3）加強軸瓦表面溫度監測，防止過高的溫升引起的熱應力沖擊對軸瓦的破壞。