芳烃装置卧螺离心机轴承超温原因分析及处理

摘要：阐述了由博鲁班特厂家生产的TB1140-PX筛网沉降式卧螺离心机在芳烃装置开工期间，由于卧螺离心机轴承座间隙、轴承选型、润滑油注入量和润滑油冷却能力等设计不合理，造成了卧螺离心机在低温介质试车过程中出现轴承温度超温损坏，从而造成装置不能顺利开工。经过与设备专家、博鲁班特厂家多次的讨论、分析，最终找到了问题的原因并进行了相应的整改，整改完成后，卧螺离心机进行再次试车，轴承温度正常，基本达到了卧螺离心机设计的预期工况。

关键词：卧螺离心机；轴承座；热膨胀；冷收缩

中图分类号：TH45

Abstract：This article elaborates on the TB1140-PX screen settling horizontal screw centrifuge produced by Borubant manufacturer. During the start-up period of the aromatics unit， due to unreasonable design of bearing seat clearance， bearing selection， lubricating oil injection amount， and lubricating oil cooling capacity， the horizontal screw centrifuge experienced bearing temperature overheating damage during the medium test run， resulting in the failure of the unit to start smoothly. After a series of discussions and analysis with the manufacturer， the root cause of the problem was finally identified and corresponding rectification measures were taken. After the rectification was completed， the horizontal screw centrifuge was tested again， and the bearing temperature was normal， basically achieving the expected effect of the horizontal screw centrifuge design.

Key words：horizontal screw centrifuge; bearing seat; thermal expansion; cold shrinkage

1 概述

某石化公司新建一套160万吨/年芳烃装置，结晶单元回收段核心设备卧螺离心机共8台，设备位号分别为0269-Y501A、B、C、D、E、F、G、H，型号为TB1140-PX，工艺介质为对二甲苯，正常温度为-65.9℃，总进料量为201744kg/h（设计负荷为110%），为气密型筛网过滤沉降式离心机，由英国博鲁班特公司制造。该公司专业从事固体、液体分离，涉及广泛工业领域，其中包括精细和大宗化学品、石化、塑料、矿产、采矿和食品市场，同时在中国扬州设有分公司，该公司在分离领域有近150年的经验，在世界各地有众多的使用业绩，该型号设备在国内为首台。

卧螺离心机由一个半圆形的壳体组成，壳体内有转鼓和螺旋送料器，螺旋送料器在转鼓内，转鼓和变速箱相连接。其主要构成部件有：主电机、液力耦合器、主轴、传动轮、传动皮带和防护罩、转鼓、螺旋输送器、齿轮箱（差速器）和防护罩、底座、机壳、润滑油系统、密封系统等。其中驱动端和非驱动端各由一套双列调心滚子轴承作为主轴承，型号为23952CC/W33 C3（厂家为SKF），联锁温度为95℃，轴承使用寿命大于25000小时，轴承为强制润滑，进油量范围为1-3.5升/分钟，润滑油牌号为美孚DTE-25液压油。驱动端轴承被轴向固定，非驱动端轴承可以轴向左右滑动，左右可滑动距离各为10mm，以补偿冷收缩、热膨胀差。

2 工作原理简述

通过一个叫做沉降的过程，可以把浆液分解成组成它的固体和液体成分。在沉降过程中，重力引起较重的固体颗粒从密度较小的液体中沉淀下去。沉淀的速度取决于固体和液体之间的密度差、液体的粘度、固体颗粒的大小，以及重力加速度的大小。螺旋输送沉降离心机就是利用了离心沉降原理来连续不断且快速高效地分离浆液，将浆液送入一个高速旋转的封闭转股内部。离心力造成固体颗粒朝外并朝着转鼓的内表面沉积，而较轻的母液则悬浮在这个固体滤饼的内部。在一个行星齿轮变速箱的作用下，概述送装置以稍低于转鼓的速度旋转，并将沉淀的固体推向转鼓的一端，而液体可以自由地流向另一端。

根据厂家提供的操作手册，机组开机后先进行预热，氮气条件下空负荷运行30分钟，此时非驱动端轴承向右热膨胀，待轴承温度稳定后打开进料阀开始进料，-65.9℃的低温结晶浆料介质经进料管连续输入离心机，此时非驱动端轴承向左收缩，经螺旋输送器的内筒出料口进入转鼓，在离心力的作用下，结晶浆料在转鼓内形成环形液流，固体粒子在离心力的作用下沉降到转鼓内壁，由于齿轮箱的差动作用，使螺旋输送器与转鼓之间形成相对转速差，螺旋输送器以比转鼓慢45转/分的速度转动。把沉渣滤饼推送到转鼓小端的筛管区，进一步脱液，然后经滤饼出口排出。液相形成一个内环，环形液层深度由转鼓大端的溢流挡板进行调节。分离后的液体经溢流孔排出，沉渣滤饼和分离液分别被收集在机壳内的滤饼及分离液隔仓内，最后由重力卸出机外。

3 轴承超温经过

3.1 第一次试机

2023年3月9日至11日，芳烃运行部分别对0269-Y501A-H共8台卧螺离心机进行常温介质试机，运行时间为4小时，离心机主轴承温度是由一个插入到轴承座油腔温度套管内的RTD监测的，每台离心机有两个仪表，每个主轴承有一个，轴承温度等各项数据基本正常，其中内操DCS显示轴承最高温度为69.4℃，温度正常。

3.1 第二次试机

2023年3月19日，再次对0269-Y501A、B、C、D4台卧螺离心机进行低温（-36℃）介质试机，以0269-Y501D为例，19：28启机，启机时驱动端轴承温度为21.9℃，非驱动端轴承温度为21.5℃。半小时后，开始以60t/h进料，驱动端轴承温度升至42.7℃，非驱动端轴承温度升至44.24℃；20：19提量至120t/h，其中轴承温度较为稳定，其中驱动端轴承温度为47.2℃，非驱动端轴承温度为49.85℃；继续提量至200t/h，20：25因现场轴承座出现冒白烟现象，对其进行紧急停车，此时驱动端轴承温度为91.4℃，非驱动端轴承温度为94℃。停机后温度继续上涨，驱动端轴承温度最高涨至107.9℃，非驱动端轴承温度最高涨至102.6℃，超过联锁温度（95℃），后温度慢慢回落，表明轴承温度为实际数值。从轴承温度上涨趋势看出，主要为120t/h提量至200t/h时，轴承温度在6分钟内急速上升，直至超温，0269-Y501A、B、C三台机组试机同样出现轴承温度高现象。

4 离心机拆检情况

由检修单位对0269-Y501A、B、C、D4台卧螺离心机轴承座进行拆检，发现0269-Y501B机非驱动端轴承损坏，0269-Y501D机驱动端轴承损坏，0269-Y501A、C两台机组轴承外观正常。从0269-Y501B、D轴承损坏情况来看，都是内侧滚珠超温或保持架损坏。

继续对其他几台轴承座通过压铅丝法测得轴承紧力间隙如下表：

5 轴承超温原因分析

5.1 轴承座间隙不合适，导致轴承滑动受阻，造成轴承超温。

物体由于温度改变而有胀缩、冷缩的现象。其变化能力以等压（p一定）下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，即热膨胀系数表示。各物体的热膨胀系数不同，一般金属的热膨胀系数单位为1/℃ （摄氏度）。轴承钢热膨胀系数：α=12.5*10-6，铸铁的热膨胀系数：α=（9.2-11.8）×10-61/℃ 316L的热膨胀系数α=17.3×10-6/℃ 轴承外圈直径L=360mm，环境温度T1=20℃，轴承温度T2=70℃。

那么膨胀量ΔL为：

ΔL = L0 × α × ΔT

其中，L0是原始长度，α是钢材的线性膨胀系数，ΔT是温度变化量。

轴承轴向移动量：

转鼓热膨胀量ΔL1为

ΔL1 = 4750mm × 17.3×10-6/K × 〔50℃-20℃〕 ≈2.47mm

转鼓冷缩量ΔL2为

ΔL2= 4750mm × 17.3×10-6/K × 〔50℃-（-65）℃〕 ≈9.45mm

轴承自由滑动量为：ΔL1+ΔL2=2.47+9.45=11.92mm，非驱动端左右可滑动距离为20mm，可以满足轴承自由滑动量。从上面计算可看出，要保证转鼓能膨胀、收缩自如，必须保证非驱动端轴承能在轴承座内自由滑动，且不能存在跑外圈现象，所以轴承在轴向方向可以轴承座内自由滑动。

轴承径向膨胀量：

轴承膨胀量ΔL3为：

ΔL3 = 360mm × 12.5×10-6/K × （70℃ - 20℃） ≈ 0.225mm

轴承座的膨胀量ΔL4为：

ΔL4 = 360mm × （9.2-11.8）×10-6/K × （63℃ - 20℃） ≈ 0.1424-0.1826mm

轴承与轴承座需要的间隙：ΔL3 -ΔL34=0.225-（0.1424-0.1826）=0.0424-0.0826mm

从上面计算可看出，以0269-Y501B为例，非驱动端轴承紧力间隙实际范围为0.02-0.03mm，轴承与轴承座需要间隙范围为0.04-0.08mm，我们可以看出，厂家原加工的尺寸小于轴承与轴承座所需要的间隙，不能保证轴承能在轴承座径向自由滑动，所以致使机组在进料过程中出现轴承超温损坏现象。

5.2 油冷器选型不合适，换热面积不够，冷却效果不佳。

原油冷却器型号EC140-1425-4，换热功率17KW。现场实测油箱温度58℃，经油冷器冷却后温度为49℃，温差仅仅只有9℃，正常润滑油冷后温度在40℃，现场必须接循环水对油箱进行强制冷却才能勉强保证出油温度温度。

5.3 轴承选型不合适，工况偏窄。

转鼓转速为1780r/min，TB1140-PX转子很长（主轴承之间4.8米），重型（约10吨），需要在宽温度范围内工作（在-66℃正常运行，在+70℃热冲洗）。这在选择主轴承时带来了挑战。由于尺寸限制，滚珠轴承和圆柱滚子轴承可以适应速度，但承载能力不足。只有一个特定的球形滚子轴承，可以处理负载和速度，通过SKF官网查询23952CC/W33 C3（SFK）轴承参数得知，轴承参考转速为1700r/min，极限转速1900r/min，轴承选用转速超过参考转速，余量不足，可能导致轴承温度偏高。

5.4 油泵电机选型小，油量达不到要求，轴承润滑冷却不佳。

原电机转速940r/min，功率0.75KW。按厂家设计要求油泵一开一备，但开机过程中因轴承温度上升，回油温度上升，油箱整体温度上升，油粘度降低，流量及压力均会相应的进行降低。目前轴承两端润滑油进油量分别为2.2升/分钟、2.4升/分钟，进油量范围为1-3.5升/分钟，开一台油泵时多次出现因流量低而造成设备联锁停机（流量联锁值≤0.9L/min）。所以设备运行时必须开2台油泵，这样造成油泵没备用，出现故障时，必须进行停机处理，无法保证设备连续运行。

5.5 设备操作方法不当。

因采用制冷工艺提取对二甲苯为国内第二家，无工艺及设备操作方法参考。每次开机时会进行30分钟空试，且设备未在冷态下启机。空试后转子温度高达50-60℃，进料（温度-65.9℃），转子会进行急剧收缩，且收缩量达到8mm。收缩过程中非驱动端轴承外圈如出现卡涩，轴承将会产生大量热量，从而造成轴承超温。

6 整改措施

6.1 减少轴承座预紧力

当扭矩拧紧到M24的标准时，产生的夹紧力将抑制轴承约40 kN至150 kN的摩擦力。轴承所能承受的最大推力为58 kN。通过在螺栓下安装圆盘蝶形弹簧，降低拧紧力矩（紧固力矩按80NM进行紧固，说明书中紧固力矩850NM），大大降低保持力。这将确保最大摩擦力将小于30 kN，即小于轴承的轴向能力。

6.2 改造轴承座尺寸

将轴承座尺寸扩大，确保轴承温度升高后，非驱动端轴承还能自由滑动。改动后轴承座参数，非驱动端轴承座尺寸内径扩大至360.07-360.13mm，以0269-Y501B为例，非驱动端轴承间隙需要0.03-0.07mm，改造后的轴承间隙为0.07-0.13mm，可以满足轴承在径向方向膨胀、滑动。在基座结合面上增加0形环槽，添加到轴承座上以减少夹紧力的蝶形弹簧垫圈在轴承因受热膨胀时造成了轴承座两半之间的间隙，油会从此间隙中泄漏，所以增加O型圈槽。

6.3 对轴承座孔和轴承盖孔进行修正

为确保轴承外圈与轴承座孔或开式轴承座及轴承盖的各半圆孔间无卡住现象，需对轴承座孔和轴承盖孔进行修整，其修整尺寸宜符合表的规定。

6.4 改用能承受更大载荷的轴承

对轴承座进行改造，因设备结构紧凑，不具备改造条件，所以该措施不适合。

6.5 增大油冷器冷却面积

提高冷却效果，保证轴承进油温度，保证轴承润滑良好，确保轴承温度稳定。更改后油冷器型号FC160-1426-5，换热功率45KW，现场实测油箱温度54.5℃，经油冷器冷却后温度29.6℃。

6.6 将每台设备单独供油改为集中油站供油

按照要求采购2套集中油站，其中0269-Y501A、B、C、D四台机组使用一套油站，0269-Y501E、F、G、H四台机组使用一套油站，每套润滑油油站油箱体积为2立方米，油泵供油量为125升/分钟，轴承两端润滑油进油量分别由2.2升/分钟、2.4升/分钟提升至3.0-3.4升/分钟，润滑油供油温度由49℃降至40℃左右，符合正常机组润滑油供油温度，改为集中供油后，8台卧螺离心机轴承温度稳定，且便于控制润滑油温度，达到了预期目标。

6.7 改进工艺操作方法

启机时，确保设备充分冷却，轴承非驱动端轴承冷缩到位后启机，启机后，空试时间由30分钟降到5分钟，减少了转子的热胀量。待轴承温度稳定后，按操作方法进行进料。

7 改造效果

按以上措施改进后，0269-Y501A机组一次开机成功，在最大进料量108t/h时，驱动端温度为52℃，非驱动端温度为62℃，且轴承温度趋势较为平稳，机组运行稳定，运行参数基本达到使用要求，确保了生产装置平稳运行。之后对其他几台机组进行了轴承座改造，改造后轴承温度也满足要求，在运行6台机组时，达到了装置进料负荷量，为该工艺条件下卧螺离心机整改提供了参考依据，降低了卧螺离心机的故障率，为确保设备正常运行提供了借鉴。

参考文献

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作者简介：胡大月，男，大学本科，工程师，从事化工设备管理工作。