5125五柱塞注水泵曲轴抱瓦原因分析与解决措施

贾品元

（长庆油田公司第五采油厂， 陕西 西安 710200）

5125五柱塞注水泵曲轴抱瓦原因分析与解决措施

贾品元

（长庆油田公司第五采油厂， 陕西 西安 710200）

针对FF5125S-27/25五柱塞注水泵曲轴频繁抱瓦现象，通过现场解体，查找分析原因，制定出解决措施，并通过数据分析、现场的进一步实验运行，解决了存在的问题，提出有效的改进措施及建议。

注水泵；曲轴抱瓦；原因分析；解决措施

柱塞式注水泵是油田注水系统的关键设备，主要承担油田开发的超前注水、同步注水任务，来补充地层能量，以便获得最高采收率。某采油厂姬15计量接转站投运于2010年6月，安装5125S-27/25五柱塞泵4台，主要担负着黄57区块注水任务，但在泵实际运行过程中，频繁出现曲轴抱瓦故障，严重影响了该区块的注水任务。作为设备管理部门应全面掌握注水设备的完好情况，分析查找故障原因，及时排除设备故障，确保设备的正常运行。表1为姬15转FF5125S-27/25泵铭牌参数。

表1

一、故障现象

1.曲轴箱温度居高不下

自2010年6月开机以来，2#、3#、4#泵动力端曲轴箱最高温度达到70℃左右，虽然采取了多项措施，但效果并不理想。

2.曲轴抱死

运行过程中先后出现十字头轴瓦磨损，曲轴抱死，部分还有曲轴销磨十字头（图1、2）。经现场查看，润滑油池铁沫较多，曲轴烧伤变色、曲轴瓦严重磨损变型，有大量的铁屑脱落。表2为姬15转FF5125S-27/25注水泵故障统计障情况。

图1 十字头轴套磨损情况

图2 曲轴烧伤情况

表2

二、曲轴抱瓦原因查找及分析

现场解体泵动力端发现，连杆小头轴套有转动、堵塞油孔。烧曲轴的原因首先应考虑连杆小头轴套转，堵塞油孔造成轴套无油或贫油，轴套温度升高，磨下的铁沫堵塞连杆大头轴瓦油孔最终造成轴瓦因缺油而与曲轴烧蚀。

1.柱塞泵曲轴抱瓦的常见原因剖析

（1）润滑油变质、机油杂质过多、进油孔堵塞、机油过少、机油牌号不对。

①当曲轴箱由于某种原因进水，会使机油乳化呈现乳白色，黏度下降。使润滑油在轴瓦和轴颈间的附着能力下降，影响润滑油膜的形成，这时容易在轴瓦和轴颈之间形成黏合磨损，导致轴瓦表面粗糙度增大，摩擦力增大，温度升高，最后发生烧瓦事故。经现场核实，监测润滑油，润滑油未变质。

②润滑油中的杂质主要是润滑油中的砂粒、灰尘以及泵内金属磨屑，这些杂质进入轴瓦和轴颈间隙中，使轴瓦嵌油面积减小，并形成磨粒磨损，同时机油中的杂质过多还容易堵塞轴瓦盖上的机油流道，使轴瓦间隙内供油不足产生黏合磨损。这两种磨损共同作用的的结果使轴瓦温度升高，间隙变小，最后导致烧瓦事故。经现场查看，油池铁沫较多，油道有堵塞现象。

③由于柱塞泵采用的是飞溅式润滑，当润滑油液位低于规定的下限时，曲轴及连杆的带油能力下降，造成轴瓦和轴颈间的供油不足，不能形成足够的润滑油膜，就会出现轴瓦与轴颈干磨，发生烧瓦甚至抱轴事故。经现场落实，油池油位正常。

④柱塞泵要求使用规定牌号的润滑油（C C 15W/40），若润滑油牌号不对，黏度过大流动困难，润滑油不能顺利进入轴瓦和轴颈间隙内，就会造成供油不足。如果选用黏度低的润滑油，使润滑油在轴瓦间隙内附着能力下降，油膜承载能力下降，这些因素都容易造成黏合磨损，继而出现烧瓦事故。现场落实，使用润滑油为兰州润滑油厂生产的昆仑牌15W/40C F-4润滑油，为物资采购管理部统一采购，润滑油牌号、级别均符合使用规定，润滑油不存在问题。

（2）变频调速系统的影响。

用变频调速系统控制的注水泵，是根据系统压力的设定自动调节泵的频率和转速，有时由于频率低，电机转速低。此时曲轴连杆带油能力下降，润滑油不能连续进入轴瓦内，不能在轴瓦间隙中形成稳定的油膜，因此，当泵速过低时，易形成黏合磨损。该站未采用变频调速。

（3）启泵前未盘泵和空载运行、启泵后马上升压甚至带压启泵。

长时间停运的泵曲轴箱内润滑油温度低，黏度大、流动性差，如果启泵前未经盘泵和空载运转，启泵后马上升压或带压启泵，此时没有足够的润滑油进入轴瓦间隙内，就会产生短时间的黏合磨损。如果长期使用这种方法操作，就会使轴瓦、轴颈摩擦面积增大，润滑状况进一步恶化，从而产生烧瓦事故。经核实现场无违章操作。

（4）液力端阀片损坏。

连杆在返回的行程受高压水推动，造成轴瓦和轴颈的冲击、交变载荷次数增多，引起轴瓦温度升高。经现场核实阀片未损坏。通过上述造成曲轴抱瓦原因分析，初步认为造成曲轴抱瓦的原因主要是由于曲轴箱内润滑不良造成。

2.抱瓦原因的进一步分析

为了查找造成润滑不良原因，确保注水任务不受影响。厂部高度重视，成立专项调查小组，及时采取以下措施。

（1）及时联系厂家技术人员对事故泵进行全面解体，解体发现：十字头轴套有转动现象，轴套转动造成磨损或杂质部分堵塞油孔，引起轴瓦润滑不良，局部温升高进一步恶化润滑条件，最终导致曲轴烧蚀。以前轴套是6-6-3铜棒车成，很少出过问题，目前使用的轴套为10-10铜棒轴瓦厂卷制轴套。

（2）现有泵功率较大，卷制轴套变形过大，受力不均衡，造成局部过载，早期磨损失效。但现场发现也有轴套没转烧轴瓦，还有曲轴销磨十字头，磨下的铁沫堵塞轴瓦油孔最终造成曲轴烧蚀。

（3）现象比较复杂，一时还找不到主要原因。笔者决定从厂家新泵出厂试验着手，从源头上查找原因。要求厂家对同型号泵进行模拟试验。下表为厂家反馈的模拟现场运行记录表,要求加装强制润滑装置。实验记录见表3。

试验结果表明，泵内温度一直在65℃居高不下，从上表可以看出：

首先，截止停泵时间，泵温仍在高温相持阶段，仍有两种可能：一是降至正常温度＜50～55℃；二是烧住。但据厂家解释,由于试验条件所限：大罐循环水温度已接近油温，不利散热，故再试意义不大，只得停泵。

其次，根据试泵经验：一般在运行压力下12～15h后，泵温达到最高点，15～20h后，泵温降至正常温度（＜50～55℃）；最高温度(国标规定油池油温＜75℃)与正常温度相差10～15℃。

（4）对主要部件进行强度分析校核：5125系列φ55柱塞20MPa冲次325min-1。

①柱塞力F=0.785×5.52×200=4750kgf

②轴瓦比压px=F/(d×b)=4750/(12.5×6.5)=58.5 kgf/cm2=5.9MPa；轴颈线速度V=π dn=3.14×0.125×325/60=2.13m/s轴瓦材料20%铝锡合金AlSn20Cu［px］=20MPa＞px，［V］=14m/s＞V，材料满足。

③轴套比压px=F/(d×b)=4750/(6.5×6.0)=122 kgf/cm2=12.2MPa；

轴套线速度V=π dn=3.14×0.065×325/60=1.1m/s

pxV=12.2×1.1=13.4MPa.m/s

表3 模拟现场运行压力20MPa试验记录

轴套材料20%铝锡合金AlSn20Cu［px］=20MPa＞px，［V］=14m/s＞V，材料满足。

④润滑油量Q

飞溅润滑：Q=(0.5～0.7)N=110～154L（经验公式）

式中：N——泵功率，kW。

据测算，现有的5125系列曲轴箱油池润滑油量为80～90L，未达到110～154L规定标准。

三、针对分析报告采取的措施

1.采取以下整改措施

（1）将现有的轴套改成整体离心制造并加厚，满足技术要求。

（2）要求厂家改进设计，加厚轴套和在轴套内增加油槽，以提高强度和润滑性。5125轴套加3道轴向槽。

（3）对十字头材质作进一步化验，是否达到球铁牌号。

（4）十字头销加防转机构。（5）加强制润滑，机油过滤部件，改善润滑条件。（6）十字头滑道孔精加工工艺，十字头外圆精磨。（7）将原5125泵体模型重做：油池加深50mm，泵体下加散热筋。

2.采取施后取得的效果

（1）经厂家反馈的十字头材质报告，符合球铁900机械性能。

（2）除泵体未进行重做（油池加深50mm，泵体下加散热筋）外，其余均按上述要求改进后进行现场运行试验。

（3）现场运行情况：经过现场运行，我们发现，油池磨粒明显减少，新改进的整体十字头轴套承载能力明显高于老轴套。新轴套在原材料、加工工艺、使用效果等方面均优越于卷制轴套。图3、4分别为新旧十字头轴套实物图。

（4）经过更换轴套等措施，现场运行的2#、3#、4#泵还是存在抱瓦现象，降温效果不是很明显。随着出口压力增加，泵功率增加,泵体温度随之升高，更换轴套还不能彻底解决曲轴抱瓦。

3.重做泵体模型，油池加深50mm，泵体下加散热筋

上述措施诸多措施的实施，还未能彻底解决曲轴抱瓦故障，要求厂家重做泵体模型，油池加深50mm，泵体下加散热筋，重做的泵体运至现场，将现有泵体机身全部更换，经过实际运行，从2010年更换后至2015年底泵整体运行正常，再未发生过曲轴抱瓦故障。

图3 卷制十字头轴套

图4 整体离心加工十字头轴套

四、结语

（1）目前该泵型曲轴箱油池偏小，润滑油储量为80～90L,根据计算需110～154L润滑油。当泵功率增大时，由于润滑油偏少，是曲轴箱发热的主要原因，最终导致抱瓦现象发生。

（2）从目前使用的5125系列注水泵来看，电机功率在185kW以下（含185kW）均未出现过抱瓦现象，曲轴箱温度在50℃以下，而2011年姬十五转投用的5125-27/25泵，配套功率为220kW。分析认为5125系列泵最大配套功率应在200kW以下，超过200kW，该泵型已超过最大设计能力，各运动部件超出承载能力，无法保证泵正常运行，选型上存在一定缺陷。

（3）对于超过220kW的5125系列泵型，泵体模型应重做，加大机身，油池加深50mm，泵体下加散热筋，确保润滑油足够。

[1]机电工程手册编委会，机械工程手册泵[M].机械工业出版社，1990.

[2]汪德涛，润滑油及润滑脂实用手册[M].广东科技出版社，2003.

[3]（美）IJ.卡拉西克，泵手册[M].中国石化出版社，2003.

[4]李柱国主编，内燃机滑动轴承[M].上海交通大学出版社，2003.

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2016-03-09）