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脱氢压缩机组轴瓦失效分析
点击次数：822 发布时间：2009/8/5 15:57:33
脱氢压缩机组轴瓦失效分析
摘 要：在对脱氢用离心压缩机组解体大修时发现其滑动轴承瓦面合金大面积脱落.采用材料性能测试、扫描电镜观察、金相检验和氢含量测定等方法对该轴瓦进行失效分析并进行流体动压润滑理论计算.结果表明:该型轴瓦失效的主要原因为氢气渗入材料.同时,氢鼓泡和氢致开裂的存在降低了轴瓦上巴氏合金与基体的结合强度及合金的疲劳强度,进而引起轴瓦的疲劳失效.另外,轴瓦的局部过热和转子不对中加速了轴瓦失效。
关键词：压缩机；巴氏合金；失效；氢
脱氢装置中的离心压缩机组为脱氢提供动力，其正常工作时转速在5200r/min左右，转子质量为3200kg，工作介质为氢气，具体结构如图1所示。
在对该设备解体大修时发现，轴瓦上、下的巴氏合金层表面龟裂，合金大面积脱落。轴瓦的半径为75mm，宽度为80mm，表面的锡基巴氏合金层厚度为1mm，供油方式为俩侧开槽，润滑油为46号透平油。笔者对该轴瓦进行了理化检验和分析，并提出了预防此类失效的一些建议。
1 理化检验及结果
1.1 宏观形貌
对损坏轴瓦宏观检验发现（图2），巴氏合金层大面积脱落（下瓦面更严重），存在大量裂纹及黑色凹坑，下瓦面可见珠状粘滞物（见图2-b）。
1.2 力学性能
在轴瓦巴氏合金层未损坏位置选取待检测试样，采用线切割自轴瓦深度方向截取26mm深、10mm长、3mm宽的试样。根据GB/T7314-2005标准设计单剪切法的夹具固定试样并测试其结合强度，在INSTRON1195万能拉伸试验机上测试四次得到剪切屈服强度的平均值为46.66MPa，比轴瓦材料的强度56.9Mpa降低了18%。
线切割制备10mm×10mm×10mm的试样，采用401MVD显微硬度计、在50g质量即0.49N载荷下测试8次得到巴氏合金层表面的硬度平均值为17.3HV，比锡基巴氏合金α相的硬度22HV降低了21.4%。
1.3 氢含量
在轴瓦表面录取一片巴氏合金，经打磨清洗，测试氢含量。在钢背近结合面处沿其深度方向截取5mm深、1mm宽的试样，作为钢背近结合面中氢含量测试试样。经RH-600氢测定仪测试，巴氏合金中氢含量（质量分数，下同）为0.058%，钢背近结合面处的氢含量为0.001%。由于巴氏合金轴瓦的运行工况比较恶劣，一般要求氢含量＜0.00014%，可见，巴氏合金中氢含量超标两个数量级，钢背近结合面处氢含量超标一个数量级。
另外，根据检修记录发现两级转子气封间隙在修前都超标；低气压缸的已损坏轴承壳测得的数据表明其顶隙超标（止推测轴承顶隙为0.285mm，技术要求为0.18-0.225mm），油封间隙也超标（油封间隙为0.99mm，技术要求为0.40-0.55mm）。
间隙超标导致压缩氢气泄露进入轴承中，氢气在油中的低溶性和高扩散性容易加速轴瓦表面失效。图3和图4证实巴氏合金表面与钢背界面均存在明显的鼓泡。从图5阶梯裂纹和合金剥落。
1.4 显微组织
由金相检验结果可见，巴氏合金表面主裂纹周边衍射出大量裂纹分支，使整个表面裂纹分布呈鳞片状（图6）；其纵深方向的裂纹已到达结合面，且有转向趋势（图7）。
1.5 端口形貌
图8为端口形貌，可见明显的棒状组织，断裂形式为沿晶断裂，且端口表面存在大量微米级显微孔洞。棒状组织经X射线能谱分析（图9）发现其主要为ε相（Cu6Sn5），并有少量β相（SnSb）。铜含量远远超标，达29.98%（合金中含铜不应超过6%），造成ε相偏析，而ε相属脆性相，容易导致表面开裂。
从图10可见，轴瓦工作表面上呈石纹状，并有轻微起伏现象，这反映了局部高温引起的烧熔和高温蠕变现象。
1.6 震动数据及相关测试数据
大修前的历史数据显示四个轴承座处的轴承振动图谱特征相似，其涡流位移传感器的分布位置见图1中a-f。以低压气缸排气端轴承为例，其振动谱图见图11其波形呈M形，可初步判断为对中不良；频谱图及瀑布图中二倍频成分甚至高于工频，轴心轨迹呈外“8”字，进一步证实了存在转子不对中故障。
在设备大修一年后，现场看到密封处冒气现象，拆检后发现，拆检前高压气缸进气侧的轴向位移幅值为0.03-0.13mm（技术要求在0-0.10mm），而检修浮环密封后该处幅值为0.02-0.065mm比大修前减少了一半，说明设备在维修前存在密封泄露，这直接影响到止推轴瓦的极限承载能力以及合金层的磨损速度，为氢致材料退化提供了条件。
采用可变年度有限长假设计算不同偏心率下轴承瓦面的温度和*小油膜厚度，结果见表1.当偏心率达到0.9时温度超过了150℃，可能存在热应力对轴瓦的冲击及局部高温对材料的破坏。
2 分析与讨论
设备在高速下运行，根据轴承运行，监测数据（图11）和大修前高压气缸进气侧的轴向位移数据可知，轴承与轴瓦的间隙超标改变了轴承的中立特性，引起轴承运转部稳定而严重偏心，使得浮环密封中的弹簧大量断裂，致使密封失效导致大量的工作介质侵入轴承与轴瓦之间。从表1可知，偏心率达到0.9时，轴瓦表面的温度可达154℃，除了超过了该合金层所能承受的极限温度（120℃）外，同时使得轴承和轴瓦之间的润滑油物化性能发生变化，出现局部油膜过薄甚至破裂，引发干摩擦。从轴瓦面观察到的烧熔和蠕变（见图10）证实存在局部过热。巴氏合金的强度和硬度随温度的升高而下降，由此产生疲劳裂纹及其扩展（图6和图7）。同时，由于密封的失效和油膜的破裂使得大量工作介质的侵入，则在轴瓦巴氏合金及其与钢背界面上出现大量氢鼓泡（图3和图4），造成结合强度降低。在这种恶劣条件下继续运转，使得巴氏合金层大面积脱落（图2）和裂纹扩展（图5），*终导致设备大修时发现轴瓦失效。
3 结论
（1）轴承存在偏心运行和密封泄露，导致氢的深入和扩散，是轴瓦失效的外因。
（2）巴氏合金层及其与钢背界面上明显的鼓泡及高的氢含量，轴瓦面大量量阶梯状裂纹的存在和断口的沿晶断裂，表明氢致材料退化降低了结合度和巴氏合金的疲劳强度，是轴瓦失效的内因。
（3）烧熔和蠕变现象说明可能存在局部过热，促进了轴瓦的失效。
4 建议
（1）加强密封件检测以确保其正常工作，改善密封状况防止工作介质的侵蚀。
（2）随时调整设备静态和动态对中状况，保证轴承的平稳运转。
（3）加强轴瓦表面温度监测，防止过高的温升引起的热应力冲击对轴瓦的破坏。
原创作者：北京普瑞赛司仪器有限公司
