臺玉平1 崔其山2 熊偉3 趙鑫1 鄭大海3 趙慧芹2

1.國家管網(wǎng)集團山東公司濟寧作業(yè)區(qū)；2.青島中油華東院安全環(huán)保有限公司；3.國家管網(wǎng)集團儲能技術(shù)公司

 

摘要：針對某輸油站一臺輸油泵的高壓電機在連續(xù)運行2個月及40℃高溫環(huán)境下驅(qū)動端溫度達90℃并持續(xù)上升的異常現(xiàn)象，結(jié)合設(shè)備檔案、返廠大修數(shù)據(jù)及軸瓦溫度特性研究成果，開展系統(tǒng)診斷與修復(fù)研究。通過振動檢測、潤滑油分析排除常規(guī)因素后，返廠拆解發(fā)現(xiàn)軸承接觸角超標(biāo)、繞組絕緣老化及通風(fēng)系統(tǒng)堵塞等核心問題。基于熱平衡理論與摩擦學(xué)原理，實施軸承精密修復(fù)、繞組絕緣強化及散熱系統(tǒng)優(yōu)化等措施，修復(fù)后電機空載溫度降至70℃，額定負載運行穩(wěn)定。研究為高溫環(huán)境下輸油泵電機故障處理提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：輸油泵電機；溫度異常；高溫環(huán)境；故障診斷；設(shè)備修復(fù)

 

輸油泵電機作為原油長輸管道的核心動力設(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響管輸系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟性。在夏季高溫環(huán)境中，電機常因散熱條件差、部件老化等因素出現(xiàn)溫度異常，若處置不及時可能導(dǎo)致設(shè)備停機甚至引發(fā)安全事故。魯成云[1]等通過對哈密區(qū)域輸油泵電機的研究表明，夏季軸瓦溫度異常占全年故障總數(shù)的65%以上，其中驅(qū)動端溫度超標(biāo)是最常見的失效模式之一。

某輸油站輸油泵電機在2025年夏季連續(xù)運行期間，驅(qū)動端溫度突破90℃報警閾值，且呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。該電機為德國魯爾泵配套西門子系列產(chǎn)品，2010年投入運行，額定功率1165 kW，轉(zhuǎn)速2985 r/min。本文結(jié)合設(shè)備檔案、返廠大修記錄及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，設(shè)計“現(xiàn)象解析—原因溯源—修復(fù)驗證”的技術(shù)路線，系統(tǒng)分析高溫環(huán)境下電機溫度異常的形成機制，提出針對性解決方案。

1  設(shè)備概況與故障特征

1.1  電機技術(shù)參數(shù)

根據(jù)輸油站設(shè)備檔案記錄，電機主要參數(shù)如下：工藝編號P0402，規(guī)格型號ZLMIP440/60，揚程290 m，流量1350 m³/h，配套輔機型號2NP9015，額定電壓6000 V，額定電流148 A，轉(zhuǎn)速2985 r/min，絕緣等級F級，輸送介質(zhì)為原油，安裝于輸液泵區(qū)。軸承采用水平中開式自潤滑結(jié)構(gòu)，潤滑油型號為美孚抗磨液壓油DTE22（ISO VG22），與魯成云研究中使用的潤滑油型號一致。

1.2  故障現(xiàn)象描述

2025年5月中旬，輸油站遭遇持續(xù)高溫天氣，泵房環(huán)境溫度達40℃。運行監(jiān)測顯示，連續(xù)運轉(zhuǎn)2個月的P0402電機驅(qū)動端溫度從正常運行的80℃逐漸攀升（圖 1），5月14日13時達到90℃，觸發(fā)PLC系統(tǒng)高報警。現(xiàn)場紅外熱成像圖顯示，溫度異常集中于驅(qū)動端軸承箱區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的局部過熱特征。

圖 1 電機驅(qū)動端溫度曲線圖 

電機運行聲音無異常，振動監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：驅(qū)動端水平方向1.8 mm/s、垂直方向1.5 mm/s、軸向1.2 mm/s，均處于ISO2372標(biāo)準(zhǔn)的A區(qū)[2]（優(yōu)秀）范圍，排除劇烈振動導(dǎo)致的摩擦加劇因素。

2  前期故障排查

2.1  潤滑油系統(tǒng)檢測

按照“五定管理”要求對驅(qū)動端軸承箱進行檢查表明：①油位處于觀察窗1/2位置，符合運行標(biāo)準(zhǔn)；②油質(zhì)清澈無乳化，40℃運動黏度實測21.5 cSt（標(biāo)準(zhǔn)值21±1 cSt）；③鐵譜分析顯示磨粒濃度0.02 mg/L，無異常磨損顆粒。為驗證潤滑效果，采用三級過濾方式重新加注同型號潤滑油，空載運行4小時后溫度仍維持在78 ℃～80 ℃區(qū)間（圖 2），排除潤滑油劣化或供應(yīng)不足的影響。

圖 2 更換潤滑油后電機空載運行驅(qū)動端溫度曲線圖 

2.2  散熱條件評估

依據(jù)魯成云提出的熱平衡公式：

ΔQ＝Q1－1.29ρV（T2－T1）   （1）

式中：Q1為軸系發(fā)熱量，W；ρ為空氣密度，1.1 kg/m³（40℃時）；V為換熱空氣體積，m³；T2為軸瓦溫度，℃（90℃）；T1為環(huán)境溫度，℃（40℃）。

計算得ΔQ > 0，表明軸系發(fā)熱量大于散熱量。現(xiàn)場測量顯示：①散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2980 r/min（額定2985 r/min）；②電機表面溫度78℃，環(huán)境溫度40℃，溫差38℃；③通風(fēng)道入口風(fēng)速1.2 m/s，較設(shè)計值下降約15%。初步判斷存在散熱效率不足問題，但需進一步排查熱源強度。

2.3  電氣參數(shù)監(jiān)測

通過電機智能監(jiān)控系統(tǒng)記錄運行參數(shù)：①三相電流平衡（146 A～148 A）無明顯偏差；②功率因數(shù)0.91（額定值0.91）；③定子繞組溫度65℃（F級絕緣允許上限155℃）。電氣參數(shù)無異常，排除電氣過載或繞組短路導(dǎo)致的溫度升高。

3  返廠大修診斷分析

3.1  拆解檢查結(jié)果

電機返廠后，按照西門子維修規(guī)程進行全面檢測，對軸承系統(tǒng)、繞組絕緣狀態(tài)、風(fēng)扇組件進行了試驗檢測，結(jié)果如下。

（1）軸承系統(tǒng)磨損。檢測結(jié)果表明：①驅(qū)動端滑動軸承接觸角實測95°，超出標(biāo)準(zhǔn)范圍（60°～85°）；②軸頸表面存在沿圓周方向的摩擦痕跡，粗糙度Ra升至1.6μm（標(biāo)準(zhǔn)Ra為0.8μm）；③頂間隙實測0.25 mm，超出允許上限（0.22 mm），側(cè)間隙0.20 mm（標(biāo)準(zhǔn)0.10 mm～0.22 mm）。根據(jù)谷文淵[3]提出的軸瓦磨損理論，接觸角超標(biāo)導(dǎo)致油膜承載力下降，邊界摩擦加劇，摩擦系數(shù)μ從0.01增至0.03，按軸功率損失公式：

Nr＝10.5×10-4×n×M    （2）

式中，n為轉(zhuǎn)速，M為摩擦力矩，發(fā)熱量增加約3倍。

（2）繞組絕緣狀態(tài)。絕緣檢測數(shù)據(jù)如下：①定子繞組對地絕緣電阻2500 MΩ（冷態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)≥1000 MΩ）；②介損值：1.0Un下2.25%（出廠值0.8%）；③局部放電量16 nC（標(biāo)準(zhǔn)≤20 nC）；④紫外成像顯示繞組端部存在微弱放電現(xiàn)象。檢測結(jié)果表明絕緣存在老化趨勢，但未達到故障閾值，對溫度異常的影響有限。

（3）通風(fēng)系統(tǒng)堵塞。檢測結(jié)果顯示，①風(fēng)扇葉片附著1.5 mm厚油污層，導(dǎo)致通風(fēng)量下降約20%；②電機內(nèi)部通風(fēng)道積塵量0.3 kg/m²，熱阻增加約15%；③散熱片間縫隙堵塞率約10%，影響輻射散熱。

3.2  故障原因確認(rèn)

綜合分析認(rèn)為，溫度異常的核心原因包括：

（1）軸承接觸角超標(biāo)導(dǎo)致油膜不穩(wěn)定，摩擦生熱增加。

（2）通風(fēng)系統(tǒng)堵塞降低散熱效率，高溫環(huán)境加劇熱積累。

（3）絕緣老化產(chǎn)生少量附加損耗，但為次要因素。

三者形成“摩擦加劇—散熱不足—高溫環(huán)境”的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致溫度失控。

4  修復(fù)措施與工藝

4.1  軸承系統(tǒng)修復(fù)

修復(fù)措施：①在電機制造廠更換了驅(qū)動端滑動軸承，采用錫基巴氏合金（ZChSnSb11-6）重新澆注（圖 3）；②對軸頸表面精密磨削，使其恢復(fù)Ra為0.8μm粗糙度；③按API標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整間隙：頂間隙0.18mm，側(cè)間隙0.15 mm，接觸角75°，接觸點密度為3點/cm²。修復(fù)后進行油膜承載力測試，在2985 r/min轉(zhuǎn)速下，油膜厚度能達到0.08 mm，滿足穩(wěn)定運行要求。

圖 3 電機解體更換滑動軸承 

4.2  繞組絕緣強化

修復(fù)措施：①采用真空浸漆工藝（F級無溶劑環(huán)氧漆）處理定子繞組；②對定子繞組端部包扎補強，固化后介損值降至0.9%；③局部放電量控制在8 nC以下。

4.3  通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

修復(fù)措施：通過徹底清潔風(fēng)扇葉片及通風(fēng)道，去除油污和積塵，對風(fēng)扇葉片做動平衡校正，檢測到殘余不平衡量≤28 g（ISO 1940G2.5級），同時為增加通風(fēng)效果，在軸承箱外側(cè)增設(shè)導(dǎo)流罩，使通風(fēng)量提升40%。

5  修復(fù)效果與驗證

修復(fù)后在原廠進行空載試驗合格后出廠，在輸油站完成電機原位安裝，為驗證修復(fù)效果，分別進行了空載試驗、額定功率滿負荷試驗，以及較長時間的驅(qū)動端振動溫度持續(xù)監(jiān)測和記錄，結(jié)果如下。

5.1  空載試驗

原位安裝后在環(huán)境溫度35℃條件下進行空載運行測試：①驅(qū)動端溫度穩(wěn)定在70℃以下，非驅(qū)動端62℃，溫差約8℃（圖 4）；②振動值：水平1.2 mm/s，垂直1.0 mm/s，軸向0.8 mm/s；③風(fēng)扇通風(fēng)量較修復(fù)前增加22%。熱平衡計算顯示ΔQ ≈ 0，達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 4 大修后空載運行電機驅(qū)動端溫度曲線圖 

5.2  負載運行驗證

利用當(dāng)季高溫環(huán)境，8月20日通過加載至額定功率1165 kW連續(xù)運行48小時進行效果驗證，結(jié)果表明：①驅(qū)動端最高溫度82℃，環(huán)境溫度38℃；②三相電流147 A，功率因數(shù)0.91；③潤滑油溫度72℃，處于魯成云提出的“最優(yōu)性能溫度區(qū)間（75℃左右）”。

5.3  長期監(jiān)測

2025年8月8日進行回裝，空載運行至8月12日，持續(xù)檢測5天，8月20日帶載運行至22日，持續(xù)3天。跟蹤數(shù)據(jù)顯示：①環(huán)境溫度35℃～40℃時，驅(qū)動端溫度穩(wěn)定在75℃～82℃；②無溫度報警記錄；③振動、電流等參數(shù)均在正常范圍。驗證結(jié)果表明，修復(fù)措施有效解決了溫度異常問題。

6  結(jié)語

通過對電機進行返廠大修，實施了軸承、繞組和通風(fēng)系統(tǒng)的檢測與優(yōu)化，并經(jīng)過空載、負荷試驗以及投運后的長期監(jiān)測，證明修復(fù)措施取得了良好效果，由此得出以下結(jié)論。

（1）P0402電機驅(qū)動端溫度異常是軸承磨損、通風(fēng)堵塞與高溫環(huán)境共同作用的結(jié)果，其中軸承接觸角超標(biāo)是核心誘因。

（2）采用“軸承精密修復(fù)+通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化”的組合方案可有效恢復(fù)電機熱平衡，修復(fù)后溫度降低20℃以上。

（3）高溫環(huán)境下輸油泵電機運維應(yīng)重點關(guān)注軸承狀態(tài)監(jiān)測與散熱系統(tǒng)清潔，按照Q/SY XG 0098—2019臥式離心輸油泵機組操作維護檢修規(guī)程要求，建議每2000小時進行一次潤滑油檢測和通風(fēng)道檢查。

 

參考文獻：

[1]魯成云.輸油泵電機軸瓦夏季溫度偏高原因分析及對策[J].機電信息，2023(12)：27-30.DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.008.

[2]Mechanical vibration of machines with operating speeds from 10 to 200 rev/s-Basis for specifying evaluation standards: ISO 2372—1974 [S]. Geneva：International organization for Standardization，1974.

[3]谷文淵，張紅葉，王宇航，等.輸油泵電機軸瓦夏季溫度偏高原因分析[J].石化技術(shù)，2024，31(07)：376-377.

 

作者簡介：臺玉平，碩士研究生，就職于國家管網(wǎng)集團山東公司濟寧作業(yè)區(qū)，長期從事設(shè)備管理工作。聯(lián)系方式：15511016508，Taiyuping1@163.com。