大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備潤滑系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

茍新超 唐世應(yīng) 朱炎周 周 川

一、前言

大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備是鋼鐵、冶金、石化、電力等行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)備，如，壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等，具有高轉(zhuǎn)速、大功率、高精密等特點(diǎn)。對此類設(shè)備潤滑，多設(shè)計(jì)為集中稀油潤滑系統(tǒng)（以下簡稱潤滑系統(tǒng)）。實(shí)踐表明，由潤滑系統(tǒng)故障引起的機(jī)組重大事故較多，因此，潤滑系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)一直是制造廠家和使用單位最為關(guān)心的問題。分析幾例典型事故實(shí)例，對大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備潤滑系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出三種設(shè)計(jì)思路，給出設(shè)計(jì)中節(jié)流孔板的選型方法，實(shí)現(xiàn)在供油管上并聯(lián)試驗(yàn)管路對輔助油泵的在線、定期試驗(yàn)。

二、大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備潤滑系統(tǒng)的功能和原理

大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的潤滑系統(tǒng)通常由油箱（包括高位油箱）、油泵、調(diào)節(jié)閥組、冷卻過濾、儀控和管道等組成，功能主要是給機(jī)組提供壓力、流量、溫度、品質(zhì)等性能參數(shù)正常的潤滑油或動(dòng)力油。潤滑油主要為滑動(dòng)軸承建立良好的油膜和帶走軸承摩擦產(chǎn)生的熱量，動(dòng)力油主要用于液壓控制，如汽輪機(jī)調(diào)速控制、軸流壓縮機(jī)靜葉角度控制、大型閥門開關(guān)等。

常見的潤滑系統(tǒng)有兩類。第一類潤滑系統(tǒng)（圖1），主油泵為容積泵或離心泵，安裝在機(jī)組齒輪箱低速軸、電機(jī)或主機(jī)軸端。輔助油泵為容積泵，安裝在潤滑油站。主輔油泵互為聯(lián)鎖，供油壓力小于設(shè)定值時(shí)（如0.08MPa）輔助油泵啟動(dòng)，大于設(shè)定值時(shí)（0.2MPa）主油泵投用、輔助油泵停止。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)由主油泵供油，啟停過程和故障時(shí)由輔助油泵供油。

第二類潤滑系統(tǒng)（圖2），主輔油泵均為容積泵，都安裝在潤滑油站；機(jī)組啟動(dòng)前人為確定一臺(tái)泵為主油泵，另一臺(tái)為輔助油泵，主輔油泵互為聯(lián)鎖，聯(lián)鎖條件與第一類相同。正常運(yùn)行時(shí)由主油泵供油，故障時(shí)由輔助油泵供油。

三、問題的提出

1.一起高爐鼓風(fēng)機(jī)倒轉(zhuǎn)造成的燒瓦事故

一動(dòng)力廠風(fēng)機(jī)房有高爐鼓風(fēng)機(jī)6臺(tái)，4用2備，機(jī)組潤滑系統(tǒng)原理屬前述第一類。主油泵為齒輪泵，安裝在機(jī)組齒輪箱低速軸端。2003年夏，2號(hào)風(fēng)機(jī)（電拖）因低壓電中斷同步電機(jī)失勵(lì)保護(hù)動(dòng)作（跳機(jī)），為維持高爐生產(chǎn)開6號(hào)風(fēng)機(jī)混風(fēng)閥向2號(hào)風(fēng)機(jī)對應(yīng)高爐混風(fēng)，此時(shí)，2號(hào)風(fēng)機(jī)逆止閥閥板脫落，從6號(hào)風(fēng)機(jī)（汽拖）混過的70kPa（G）左右壓縮空氣倒流入2號(hào)風(fēng)機(jī)出風(fēng)管，使2號(hào)風(fēng)機(jī)倒轉(zhuǎn)，而此時(shí)2號(hào)風(fēng)機(jī)潤滑油站油泵也因低壓電中斷停止工作，10min后操作工發(fā)現(xiàn)2號(hào)風(fēng)機(jī)各軸瓦冒煙，隨即手動(dòng)關(guān)閉2號(hào)風(fēng)機(jī)出風(fēng)閥，15min后機(jī)組停止倒轉(zhuǎn)。這起事故造成2號(hào)風(fēng)機(jī)8副軸瓦報(bào)廢，因處理及時(shí)，未影響生產(chǎn)。

2.兩起燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)主輔油泵聯(lián)鎖故障造成的燒瓦事故

一燒結(jié)廠3個(gè)主抽風(fēng)機(jī)房，每個(gè)機(jī)房有主抽風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，無備機(jī)，機(jī)組潤滑系統(tǒng)原理屬前述第一類。主油泵為齒輪泵，安裝在風(fēng)機(jī)主軸軸端。

2003年冬，1號(hào)主抽風(fēng)機(jī)房一臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)主油泵故障，供油壓力下降，輔助油泵未自動(dòng)投用，后因發(fā)現(xiàn)及時(shí)，手動(dòng)啟動(dòng)輔助油泵未造成停機(jī)事故，查為控制系統(tǒng)無輔助油泵壓力聯(lián)鎖。2004年夏，2號(hào)主抽風(fēng)機(jī)房又有一臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)主油泵故障，供油壓力下降，輔助油泵未自動(dòng)投用，后導(dǎo)致軸瓦冒煙，共報(bào)廢4副軸瓦，查為控制系統(tǒng)無輔助油泵壓力聯(lián)鎖。

3.一起油泵進(jìn)口閥門誤操作全關(guān)引起的閥門爆裂事故

2001年冬，一高爐鼓風(fēng)機(jī)潤滑油站的電動(dòng)油泵，關(guān)閉了油泵進(jìn)出閥門，試車時(shí)誤操作、油泵出口閥門未打開，啟動(dòng)電動(dòng)油泵2min后，油泵出口逆止閥閥體爆裂，閥門碎片飛出5m遠(yuǎn)，潤滑油呈柱狀噴射，影響機(jī)組試車數(shù)小時(shí)。

此外，油泵出口閥門誤操作長時(shí)間（＞1min）全關(guān)，潤滑油在泵腔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，壓力增大、溫度升高，潤滑油易飽和，易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，損壞油泵；而油泵進(jìn)口閥門誤操作長時(shí)間全關(guān)，使進(jìn)口處壓力降低，易達(dá)到飽和壓強(qiáng)，也會(huì)誘發(fā)汽蝕現(xiàn)象，損壞油泵。

四、三種潤滑系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)原理

上述三類故障重復(fù)出現(xiàn)的機(jī)率較大，任一故障都會(huì)對機(jī)組連續(xù)優(yōu)質(zhì)運(yùn)行造成極大威脅，只有在優(yōu)化原有設(shè)計(jì)，采用預(yù)防性設(shè)計(jì)、提高機(jī)組潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，才能徹底解決問題。為此，提出三種設(shè)計(jì)思路。

1.防倒轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

為了防止機(jī)組倒轉(zhuǎn)帶來的潤滑系統(tǒng)故障，對機(jī)組潤滑系統(tǒng)做如圖3的改造。在主油泵與油箱的連接管道中對稱的布置兩個(gè)方向并聯(lián)相同、串聯(lián)相反的逆止閥，逆止閥的作用是主油泵正反轉(zhuǎn)均能順利吸油；在主油泵與過濾、冷卻、調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間對稱的布置兩個(gè)方向相同的對夾式逆止閥，對夾式逆止閥的作用是正向?qū)?，反向逆止?jié)流，逆止閥的全開條件是正向壓力大于反向壓力，節(jié)流的目的是在主油泵工作之前由輔助油泵對主油泵進(jìn)出油管灌油，排出油泵腔室及管道中的空氣，不至使油泵產(chǎn)生氣縛，造成吸不上油的現(xiàn)象，特別是主油泵為自吸能力差的離心泵時(shí)更容易發(fā)生氣縛現(xiàn)象。工作原理是：在主油泵工作之前，由輔助油泵向系統(tǒng)供油，壓力油經(jīng)過對夾式逆止閥節(jié)流孔為主油泵灌油，使主油泵滿足啟動(dòng)條件，當(dāng)主油泵達(dá)到倒泵條件后，系統(tǒng)由主油泵供油，主油泵吸油管（或倒轉(zhuǎn)時(shí)的排油管）壓力低于系統(tǒng)壓力，所以只有一對逆止閥和對夾式逆止閥導(dǎo)通；當(dāng)機(jī)組倒轉(zhuǎn)時(shí)，改由另外一對逆止閥和對夾式逆止閥導(dǎo)通，這樣就不會(huì)使系統(tǒng)缺油發(fā)生燒瓦事故。

2.在線主輔油泵壓力聯(lián)鎖試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)管路與壓力變送器的排污管類似，在供油總管上并聯(lián)一路試驗(yàn)管，試驗(yàn)管路原理圖如圖4所示。試驗(yàn)管由節(jié)流孔板、壓力變送器（壓力開關(guān)）、壓力顯示表和卸壓閥等組成。為了卸壓時(shí)不對供油總管的壓力和流量造成大的影響，在試驗(yàn)管與供油總管連接處增加節(jié)流孔板，以達(dá)到限流的作用。工作原理是：先打開試驗(yàn)管上的針型閥，試驗(yàn)管中的壓力下降，但由于節(jié)流孔板的限流作用供油總管中的壓力和流量并不下降，壓力開關(guān)“開”，輔助油泵連鎖啟動(dòng)，由于輔助油泵啟動(dòng)條件被優(yōu)先，輔助油泵不會(huì)因?yàn)榭偣苤袎毫φ６Ｖ埂⒃斐芍饔捅梅磸?fù)啟停的現(xiàn)象，供油總管中的壓力由自力式調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)整，不影響機(jī)組的正常供油；關(guān)閉卸壓閥后，試驗(yàn)管中的壓力恢復(fù)，壓力開關(guān)“關(guān)”，輔助油泵連鎖接觸，輔助油泵停止，供油總管中的壓力由自力式調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)整后恢復(fù)，試驗(yàn)結(jié)束。輔助油泵的控制邏輯圖如圖5所示。

3.防油泵進(jìn)出口閥門誤操作設(shè)計(jì)

為了避免檢修后的誤操作使油泵在未打開進(jìn)出閥的情況下啟動(dòng)運(yùn)行，造成油泵高溫、汽蝕、閥門損壞等事故，在油泵進(jìn)出口增添限位開關(guān)并參加油泵控制，只有進(jìn)出閥全開，油泵才具備啟動(dòng)條件。

通過上述三種改造后的潤滑系統(tǒng)原理圖如圖6所示，系統(tǒng)中對稱布置了兩對逆止閥和對夾式逆止閥、在供油總管上增添了試驗(yàn)管路、在輔助油泵進(jìn)出閥上增添了限位開關(guān)，并修改了輔助油泵的控制程序，圖6中用虛線框出。

4.現(xiàn)場應(yīng)用與試驗(yàn)效果

對夾式逆止閥和實(shí)驗(yàn)管路均涉及節(jié)流孔板計(jì)算，節(jié)流孔板孔徑d算法如式1。

式中 Q—通過孔板的流量，L/min

C—流量系數(shù)，C=0.6～0.62，一般取 0.62

△P—孔板的壓降，kgf/cm2

以試驗(yàn)管節(jié)流孔板選型為例。根據(jù)潤滑油站技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)要求，Q=4L/min，即通過孔板的流量限流為總管流量的1%，不對總管供油流量造成明顯影響。當(dāng)卸壓閥全開時(shí)，試驗(yàn)管壓力開關(guān)處從總管0.3MPa 降 至 0.05MPa，考慮到試驗(yàn)管管路沿程損失、局部損失、閥門損失產(chǎn)生的壓降，孔板△P=0.1～0.2MPa。為加工方便，孔板孔徑按理論數(shù)據(jù)圓整?？装逵?jì)算見表1，最終孔板孔徑選3mm。

表1 孔板計(jì)算表

對夾式逆止閥節(jié)流孔徑計(jì)算相同，流量取10L/min、壓差0.01～0.02MPa，最終孔徑選 8mm。

上述三種改造在實(shí)際中被部分應(yīng)用，這里給出了第二種設(shè)計(jì)思路的現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)。在壓力總管上添加試驗(yàn)管路、節(jié)流閥、壓力開關(guān)和針型閥，按圖6給出的邏輯圖修改輔助油泵的控制程序，通過試驗(yàn)管路做輔助油泵壓力聯(lián)鎖自啟動(dòng)試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)過程中控制系統(tǒng)報(bào)警列表與現(xiàn)場情況表

試驗(yàn)過程中輔助油泵共啟停3次，其中3次啟動(dòng)集中在試驗(yàn)管卸壓閥漸開過程中，潤滑油站遠(yuǎn)端壓力波動(dòng)為輔助油泵啟停和自力式調(diào)節(jié)閥共同作用所致，壓力P=0.26±0.05MPa，波動(dòng)在允許范圍內(nèi)（遠(yuǎn)端壓力＜0.11MPa啟動(dòng)輔助油泵，遠(yuǎn)端壓力＜0.06MPa主機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)）。試驗(yàn)過程中控制系統(tǒng)報(bào)警記錄如表2所示，遠(yuǎn)端供油壓力歷史趨勢如圖7所示。

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