油氣 | 流體膜軸承材料技術進展

對于石油和天然氣行業中所用的泵，無論是新的還是原有的設備，我們都希望它們的效率更高，生產能力更強，使用壽命更長。這就對泵提出了更高的要求，需要能夠在更高溫度、更大負載、更快轉速以及更惡劣環境下工作。

對此，流體膜軸承至關重要，它不僅支撐離心泵的旋轉部件，還有助于將負載傳遞到機架和地面。因此，流體膜軸承的性能必須與越來越高的工作要求相匹配。

軸承壽命直接影響泵的生產，軸承性能影響泵的效率。推力軸承通常用于承載軸向載荷，這是由于工作流體流過泵級時產生壓力差而作用在旋轉部件上的一種載荷。

軸頸軸承承載徑向載荷，并提供必要的剛性和阻尼，以利于泵轉子平穩運行。摩擦系數低，磨損小甚至無磨損，低功耗，使用壽命長，這些都是流體膜軸承不同于其他類型軸承的獨特特性。

根據對泵的具體需求，泵制造商和操作者可以選擇數種軸承材料，包括巴氏合金（錫基）、青銅、聚合物和陶瓷/金屬陶瓷。下面將依照溫度和負載能力逐漸增加的順序對這些材料進行分析討論，除此之外，還分析每種材料的其他特性，它們將影響使用壽命和最優性能。

為了便于比較，本文在此討論推力軸承的設計和材料，但其中所提及的大部分材料性能特性也同樣適用于軸頸軸承。還應注意，性能并不單單由材料這一個因素決定，還必須認真考慮軸承的總體工程分析和設計。

基本性能

白合金或巴氏合金，尤其是這類軸承材料中的錫基合金，長期以來一直被廣泛用于旋轉機械（包括泵）中的流體薄膜軸承。當流體薄膜軸承按照設計條件運行時，其旋轉面和靜止面由一薄層潤滑劑隔開，與金屬和金屬的直接接觸相比，這樣能夠減少磨損和功率損失。

當泵在啟動時和非設計條件下運轉時，巴氏合金作為一種“柔軟”的金屬，具有良好的適應性、兼容性和可嵌入性。這些優良的特性都能確保流體軸承不僅高效工作，且經久耐用。

巴氏合金的工作溫度受錫熔點（232℃/450°F）的限制。但如果溫度過低，巴氏合金軸承襯的強度會顯著降低。在工業實際應用中，通常將巴氏合金軸承的最高工作溫度限制在130°C（266°F）。

巴氏合金還具有相對較低的疲勞強度。這在旋轉泵應用中一般不會出現問題，除非在軸承上施加了很大的動態負載。在動態載荷特別大的極端情況下，低疲勞強度會限制軸承的壽命，因為連接處發生疲勞失效，進而導致巴氏合金與背襯材料分離。

工作溫度范圍變大

當軸承環境溫度升高到超過巴氏合金的極限值而負載保持相對較小時，青銅軸承表面可在較高溫度下提供額外的安全裕度。

帶鋼墊圈的青銅可傾瓦推力軸承; 適用于溫度高于巴氏合金極限值而負載較低的工況。

青銅推力軸承的成功經驗表明，它能夠在潤滑油溫度超過150 °C（302°F）且單位負載（軸承負載除以軸承表面積）小于2MPa（290 psi）的工作條件下工作。根據具體的應用需求，青銅推力軸承有幾種不同的設計形式。既有整體鑄造式設計，也有可傾瓦式設計，其中包括傾斜瓦軸承和撓曲支點軸承。

然而，與巴氏合金相比，青銅的嵌入性相對較低，所以它決不允許潤滑油中存在任何污染物，否則會導致軸承和軸損壞。此外，青銅的適應性不如巴氏合金，這使得青銅軸承更容易受到錯位的影響。

負載能力更強

如果要擴大泵的工作范圍，使其能夠承受更大的負荷并提高工作的可靠性，那么采用聚合物軸承不失為一種有效的解決方案。像巴氏合金一樣，聚合物具有良好的嵌入性和適應性，因此當少量碎屑進入潤滑膜時或者當固定部件與旋轉部件二者即將接觸時，這些特性能夠防止軸發生損傷。

類似的陶瓷和聚合物中心軸可傾瓦推力軸承在溫度升高時的負載能力。

實踐證明，憑借清潔的工藝流體潤滑（如水），設計合理的聚合物軸承能夠在相對薄的潤滑膜上可靠地工作，并且能夠很好地與鋼制轉子協同運轉。

在采用油潤滑的情況下，與巴氏合金相比，設計良好的聚合物軸承在高溫下具有更高的強度和更高的疲勞強度，此外，其工作溫度也高于巴氏合金和青銅軸承。 這使得聚合物軸承具有更高的承載能力，因此其外形尺寸比金屬軸承更小，從而減少了功率損失。

聚合物推力軸承被廣泛用于電動潛水泵（ESP）的電機和密封/保護部分，單元載荷高達8 MPa（1160 psi），潤滑油工作溫度高達200°C（392°F）。聚合物還是一種電絕緣體，能夠防止雜散軸電流通過軸承導電，這給ESP的電動機帶來的另一個好處就是無需在軸承和其外殼之間敷設額外的絕緣材料層。

在高溫下承受高負載

諸如蒸汽輔助重力泄油（SAGD）這樣的新一代泵技術，使得泵的工作條件超過了聚合物材料的承受極限。對于SAGD應用，ESP密封環境溫度為270°C（518°F），因此泵制造商和操作者必須考慮陶瓷/金屬陶瓷軸承材料，它們的性能優于聚合物設計，例如，工作溫度更高，負載能力更強，更耐磨。陶瓷/金屬陶瓷表面在300℃（572°F）或更高的潤滑油溫度下依然能夠保持其強度，而聚合物在200℃（392°F）以上就開始失去強度。

適用于ESP的聚合物襯墊可傾瓦推力軸

對于在SAGD應用中的ESP，陶瓷/金屬陶瓷推力軸承完全可以代替現有的聚合物軸承，從而擴大工作范圍。

作者所在的Waukesha軸承公司設計的陶瓷/金屬陶瓷可傾瓦軸承，在300℃（572°F）油浴溫度下的額定單位負載能力可達8MPa（1160psi）。我們在SAGD應用方面積累了多年的實踐經驗。

在一個泵系列產品中的測試結果表明，即使軸承工作在額定溫度和額定負載條件以上，依然具有出色的性能。

陶瓷/金屬陶瓷軸承的產品定位，不僅要滿足正常工作條件下的高溫和高負載需求，而且要滿足惡劣工況下的要求。由于它們具有極高的強度（特別是在高溫下）和很好的硬度，所以當機械密封損壞，潤滑油被污染，進而導致工作環境中存在磨料顆粒時，陶瓷/金屬陶瓷軸承依然能夠正常工作。由于設備停機代價巨大，設備維修費用高昂，所以這種能力顯得尤為珍貴。

為了使陶瓷/金屬陶瓷軸承能夠在任何條件下可靠地工作，配合的轉子或止推環必須是同樣硬度的材料。然而，陶瓷軸承技術的開發工作表明，并非所有的陶瓷/金屬陶瓷配合表面都相同。

即使當配合表面是硬質面時，材料也可能不相容。為了達到良好的兼容性，必須為軸承的旋轉和靜止部件選擇合適等級的材料。 通常首先進行內部實驗室測試，然后進行現場試驗來驗證這些材料配對是否能可靠地工作。

完整的設計

顯然，研發工作進一步證明僅僅依靠材料本身并不能保證一定使軸承性能得以提高。機械設計對于可靠的性能至關重要。不僅要考慮材料和材料等級的選擇，還要考慮軸瓦設計和制造公差。此外，還必須考慮工作條件，如環境溫度和負載。

應用在SAGD中的陶瓷/金屬陶瓷推力軸承。

在考慮完所有可選材料之后，還可以針對某一特定材料考慮不同的可選設計方案，以提高承載能力。例如，在可傾瓦軸承中，偏心樞軸設計與中心樞軸設計相比，前者能夠在相同工作范圍內多承載20~25％的載荷。

為了滿足下一代嚴格的應用要求，我們持續進行軸承研究。目前正在進行一系列的測試，以評估當現有的和新的軸承材料和機械設計工作在更高的溫度、負載和轉速下，以及工作在磨蝕性環境和各種潤滑流體中時，它們的耐用性和性能裕度。 無論應用于ESP，工藝潤滑泵，海底泵還是其他泵環境，這些軸承技術的進步將幫助泵制造商和用戶持續提高工作性能。