油气 | 流体膜轴承材料技术进展

对于石油和天然气行业中所用的泵，无论是新的还是原有的设备，我们都希望它们的效率更高，生产能力更强，使用寿命更长。这就对泵提出了更高的要求，需要能够在更高温度、更大负载、更快转速以及更恶劣环境下工作。

对此，流体膜轴承至关重要，它不仅支撑离心泵的旋转部件，还有助于将负载传递到机架和地面。因此，流体膜轴承的性能必须与越来越高的工作要求相匹配。

轴承寿命直接影响泵的生产，轴承性能影响泵的效率。推力轴承通常用于承载轴向载荷，这是由于工作流体流过泵级时产生压力差而作用在旋转部件上的一种载荷。

轴颈轴承承载径向载荷，并提供必要的刚性和阻尼，以利于泵转子平稳运行。摩擦系数低，磨损小甚至无磨损，低功耗，使用寿命长，这些都是流体膜轴承不同于其他类型轴承的独特特性。

根据对泵的具体需求，泵制造商和操作者可以选择数种轴承材料，包括巴氏合金（锡基）、青铜、聚合物和陶瓷/金属陶瓷。下面将依照温度和负载能力逐渐增加的顺序对这些材料进行分析讨论，除此之外，还分析每种材料的其他特性，它们将影响使用寿命和最优性能。

为了便于比较，本文在此讨论推力轴承的设计和材料，但其中所提及的大部分材料性能特性也同样适用于轴颈轴承。还应注意，性能并不单单由材料这一个因素决定，还必须认真考虑轴承的总体工程分析和设计。

基本性能

白合金或巴氏合金，尤其是这类轴承材料中的锡基合金，长期以来一直被广泛用于旋转机械（包括泵）中的流体薄膜轴承。当流体薄膜轴承按照设计条件运行时，其旋转面和静止面由一薄层润滑剂隔开，与金属和金属的直接接触相比，这样能够减少磨损和功率损失。

当泵在启动时和非设计条件下运转时，巴氏合金作为一种“柔软”的金属，具有良好的适应性、兼容性和可嵌入性。这些优良的特性都能确保流体轴承不仅高效工作，且经久耐用。

巴氏合金的工作温度受锡熔点（232℃/450°F）的限制。但如果温度过低，巴氏合金轴承衬的强度会显著降低。在工业实际应用中，通常将巴氏合金轴承的最高工作温度限制在130°C（266°F）。

巴氏合金还具有相对较低的疲劳强度。这在旋转泵应用中一般不会出现问题，除非在轴承上施加了很大的动态负载。在动态载荷特别大的极端情况下，低疲劳强度会限制轴承的寿命，因为连接处发生疲劳失效，进而导致巴氏合金与背衬材料分离。

工作温度范围变大

当轴承环境温度升高到超过巴氏合金的极限值而负载保持相对较小时，青铜轴承表面可在较高温度下提供额外的安全裕度。

带钢垫圈的青铜可倾瓦推力轴承; 适用于温度高于巴氏合金极限值而负载较低的工况。

青铜推力轴承的成功经验表明，它能够在润滑油温度超过150 °C（302°F）且单位负载（轴承负载除以轴承表面积）小于2MPa（290 psi）的工作条件下工作。根据具体的应用需求，青铜推力轴承有几种不同的设计形式。既有整体铸造式设计，也有可倾瓦式设计，其中包括倾斜瓦轴承和挠曲支点轴承。

然而，与巴氏合金相比，青铜的嵌入性相对较低，所以它决不允许润滑油中存在任何污染物，否则会导致轴承和轴损坏。此外，青铜的适应性不如巴氏合金，这使得青铜轴承更容易受到错位的影响。

负载能力更强

如果要扩大泵的工作范围，使其能够承受更大的负荷并提高工作的可靠性，那么采用聚合物轴承不失为一种有效的解决方案。像巴氏合金一样，聚合物具有良好的嵌入性和适应性，因此当少量碎屑进入润滑膜时或者当固定部件与旋转部件二者即将接触时，这些特性能够防止轴发生损伤。

类似的陶瓷和聚合物中心轴可倾瓦推力轴承在温度升高时的负载能力。

实践证明，凭借清洁的工艺流体润滑（如水），设计合理的聚合物轴承能够在相对薄的润滑膜上可靠地工作，并且能够很好地与钢制转子协同运转。

在采用油润滑的情况下，与巴氏合金相比，设计良好的聚合物轴承在高温下具有更高的强度和更高的疲劳强度，此外，其工作温度也高于巴氏合金和青铜轴承。 这使得聚合物轴承具有更高的承载能力，因此其外形尺寸比金属轴承更小，从而减少了功率损失。

聚合物推力轴承被广泛用于电动潜水泵（ESP）的电机和密封/保护部分，单元载荷高达8 MPa（1160 psi），润滑油工作温度高达200°C（392°F）。聚合物还是一种电绝缘体，能够防止杂散轴电流通过轴承导电，这给ESP的电动机带来的另一个好处就是无需在轴承和其外壳之间敷设额外的绝缘材料层。

在高温下承受高负载

诸如蒸汽辅助重力泄油（SAGD）这样的新一代泵技术，使得泵的工作条件超过了聚合物材料的承受极限。对于SAGD应用，ESP密封环境温度为270°C（518°F），因此泵制造商和操作者必须考虑陶瓷/金属陶瓷轴承材料，它们的性能优于聚合物设计，例如，工作温度更高，负载能力更强，更耐磨。陶瓷/金属陶瓷表面在300℃（572°F）或更高的润滑油温度下依然能够保持其强度，而聚合物在200℃（392°F）以上就开始失去强度。

适用于ESP的聚合物衬垫可倾瓦推力轴

对于在SAGD应用中的ESP，陶瓷/金属陶瓷推力轴承完全可以代替现有的聚合物轴承，从而扩大工作范围。

作者所在的Waukesha轴承公司设计的陶瓷/金属陶瓷可倾瓦轴承，在300℃（572°F）油浴温度下的额定单位负载能力可达8MPa（1160psi）。我们在SAGD应用方面积累了多年的实践经验。

在一个泵系列产品中的测试结果表明，即使轴承工作在额定温度和额定负载条件以上，依然具有出色的性能。

陶瓷/金属陶瓷轴承的产品定位，不仅要满足正常工作条件下的高温和高负载需求，而且要满足恶劣工况下的要求。由于它们具有极高的强度（特别是在高温下）和很好的硬度，所以当机械密封损坏，润滑油被污染，进而导致工作环境中存在磨料颗粒时，陶瓷/金属陶瓷轴承依然能够正常工作。由于设备停机代价巨大，设备维修费用高昂，所以这种能力显得尤为珍贵。

为了使陶瓷/金属陶瓷轴承能够在任何条件下可靠地工作，配合的转子或止推环必须是同样硬度的材料。然而，陶瓷轴承技术的开发工作表明，并非所有的陶瓷/金属陶瓷配合表面都相同。

即使当配合表面是硬质面时，材料也可能不相容。为了达到良好的兼容性，必须为轴承的旋转和静止部件选择合适等级的材料。 通常首先进行内部实验室测试，然后进行现场试验来验证这些材料配对是否能可靠地工作。

完整的设计

显然，研发工作进一步证明仅仅依靠材料本身并不能保证一定使轴承性能得以提高。机械设计对于可靠的性能至关重要。不仅要考虑材料和材料等级的选择，还要考虑轴瓦设计和制造公差。此外，还必须考虑工作条件，如环境温度和负载。

应用在SAGD中的陶瓷/金属陶瓷推力轴承。

在考虑完所有可选材料之后，还可以针对某一特定材料考虑不同的可选设计方案，以提高承载能力。例如，在可倾瓦轴承中，偏心枢轴设计与中心枢轴设计相比，前者能够在相同工作范围内多承载20~25％的载荷。

为了满足下一代严格的应用要求，我们持续进行轴承研究。目前正在进行一系列的测试，以评估当现有的和新的轴承材料和机械设计工作在更高的温度、负载和转速下，以及工作在磨蚀性环境和各种润滑流体中时，它们的耐用性和性能裕度。 无论应用于ESP，工艺润滑泵，海底泵还是其他泵环境，这些轴承技术的进步将帮助泵制造商和用户持续提高工作性能。