多級(jí)磁力泵故障分析與改進(jìn)處理

焦文讓 葛廣新 王樹林

（克拉瑪依石化公司檢維修中心 新疆克拉瑪依）

一、前言

磁力泵是一種無(wú)泄漏、免維護(hù)、運(yùn)行可靠性好的離心泵，具有安全、高效、節(jié)能的特性。但由于其自身的特點(diǎn)使其在很多方面又不同于傳統(tǒng)的離心泵，所以要在安裝、工藝、操作等方面采取一些措施和途徑來(lái)保證其可靠運(yùn)行。公司球罐區(qū)改造時(shí)其液化氣裝車泵就選用了磁力泵，型號(hào)MCAM80/3，大連海密梯克泵業(yè)有限公司生產(chǎn)，揚(yáng)程160 m。投用初期2臺(tái)泵使用一直都不理想，使用過(guò)程中多次出現(xiàn)盤不動(dòng)車、打不上壓力等問(wèn)題。由于2臺(tái)泵先后連續(xù)出現(xiàn)故障的情況較多，多次造成液化氣球罐憋罐，影響上游裝置的正常生產(chǎn)。為了能夠徹底解決問(wèn)題，對(duì)故障進(jìn)行認(rèn)真分析，最終通過(guò)改進(jìn)機(jī)泵液力平衡系統(tǒng)和平衡盤材料、更換入口過(guò)濾網(wǎng)以及改善操作等方法，徹底消除了機(jī)泵的故障。

二、故障情況

公司液化氣球罐區(qū)改造時(shí)新裝2臺(tái)磁力泵，由于是作為液化氣裝車泵，每天使用大概為2～4 h，開停頻繁。在首次使用后兩臺(tái)泵就出現(xiàn)盤車重的現(xiàn)象，使用幾次后，A、B泵先后出現(xiàn)了盤不動(dòng)車的情況，經(jīng)過(guò)拆檢，發(fā)現(xiàn)2臺(tái)泵表現(xiàn)基本一樣，泵體內(nèi)有一些焊渣、雜質(zhì)，首級(jí)葉輪口環(huán)出現(xiàn)明顯磨損。經(jīng)過(guò)清理和對(duì)磨損部件的修復(fù)，對(duì)機(jī)泵進(jìn)行了回裝，但在后續(xù)的使用過(guò)程中又出現(xiàn)類似情況，而且平衡盤、平衡板磨損也明顯加重，進(jìn)行車修處理后回裝。但是問(wèn)題并沒(méi)有根本解決，在后來(lái)的使用中，還多次出現(xiàn)壓力打不起來(lái)，主要表現(xiàn)是出口閥不開的情況下壓力正常，開出口閥后壓力就會(huì)迅速下降，停泵后盤車出現(xiàn)卡澀，甚至盤不動(dòng)。由于在最初的檢修中，沒(méi)有找到問(wèn)題的真正原因，只是初步分析原因后，更換了較細(xì)的入口過(guò)濾網(wǎng)。雖然之后葉輪口環(huán)磨損的情況有所改善，但仍沒(méi)有徹底解決該泵故障，所以導(dǎo)致以后的1個(gè)月內(nèi)，2臺(tái)泵頻繁維修，而且每次機(jī)泵故障基本都表現(xiàn)為壓力打不起來(lái)、盤車卡澀、平衡盤磨損。

圖1 MCAM80/3磁力泵剖面圖

三、故障分析

1.設(shè)備管線清理不干凈機(jī)泵入口過(guò)濾網(wǎng)設(shè)置不當(dāng)

圖2 平衡盤動(dòng)、靜環(huán)磨損圖片

檢修中多次拆出過(guò)濾網(wǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)中存在很多焊渣和金屬雜質(zhì)，這說(shuō)明設(shè)備安裝過(guò)程中管線清理不夠干凈，沒(méi)有進(jìn)行很好的清理吹掃，導(dǎo)致機(jī)泵在輸送介質(zhì)時(shí)，管線被被沖刷后雜質(zhì)進(jìn)入泵體。另外，我們測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該泵各級(jí)葉輪口環(huán)半徑間隙只有0.35 mm，而實(shí)際上該泵安裝時(shí)采用了30目的過(guò)濾網(wǎng)，其網(wǎng)孔寬度就有0.6 mm，這勢(shì)必導(dǎo)致一些直徑＞0.35 mm的焊渣和金屬雜質(zhì)進(jìn)入泵體內(nèi)，而雜質(zhì)一旦進(jìn)入，就很容易進(jìn)入葉輪口環(huán)，造成口環(huán)磨損，盤車卡澀，而且也會(huì)進(jìn)入平衡腔，引起平衡盤動(dòng)、靜環(huán)面磨損，磨損嚴(yán)重時(shí)就出現(xiàn)盤不動(dòng)車的情況，實(shí)際上在泵拆檢時(shí)，泵體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了較多的雜質(zhì)，就充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。

圖3 葉輪及殼體口環(huán)磨損圖片

2.機(jī)泵本身設(shè)計(jì)存在缺陷

（1）液力平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷。該多級(jí)磁力泵3級(jí)葉輪都是同向布置，所以工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的軸向力，而其軸向力主要是靠平衡盤來(lái)平衡。通過(guò)多次對(duì)該泵的檢修，發(fā)現(xiàn)該泵的平衡盤動(dòng)、靜環(huán)磨損都比較嚴(yán)重，而且機(jī)泵在運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)明顯的碰磨聲音。所以，就從該泵的液力平衡系統(tǒng)進(jìn)行分析尋找原因。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這種磁力泵泵體內(nèi)液力平衡系統(tǒng)液體流動(dòng)主要分3路（圖4），第1路，泵出口處的高壓液體通過(guò)軸承體和泵座上的通流孔流向內(nèi)磁處，其中一少部分通過(guò)前軸承與軸套之間的間隙后到泵軸的回流孔，起到對(duì)前軸承的潤(rùn)滑冷卻作用，然后通過(guò)中空軸流到泵入口形成循環(huán)，其余部分則通過(guò)內(nèi)磁與隔離套之間的間隙到達(dá)泵軸端，再回流到到泵入口形成循環(huán)，為磁套冷卻；第2路，泵出口處的高壓液體通過(guò)軸承體上的兩個(gè)斜35°的平衡孔進(jìn)入到平衡盤與平衡盤靜環(huán)之間，再經(jīng)過(guò)平衡盤動(dòng)、靜環(huán)面之間的間隙流到平衡盤后面，由于平衡盤后面的空間通過(guò)中空軸與泵入口相通，所以介質(zhì)也就能夠回流到泵入口形成循環(huán)；第,3路，末級(jí)葉輪背側(cè)的高壓液體，通過(guò)后軸承與軸套間隙后到達(dá)平衡盤與平衡盤靜環(huán)之間，與第2路液體匯合，為后軸承潤(rùn)滑冷卻。

圖4 液力系統(tǒng)液體流向示意圖

由于該泵3級(jí)葉輪都是同向安裝，每級(jí)葉輪由于正反面存在的壓力差，從而產(chǎn)生向后端的軸向力，而平衡盤恰好相反，后端與泵出口相通，為高壓側(cè)，而另外一側(cè)與泵入口相通，為低壓側(cè)，所以平衡盤受到的推力正好與葉輪產(chǎn)生的軸向力相反，就能起到平衡的作用。當(dāng)葉輪上的軸向力大于平衡盤上的平衡力時(shí)，泵轉(zhuǎn)子就會(huì)向后端移動(dòng)，使平衡盤動(dòng)、靜環(huán)面間的間隙減小，因而就減少了泄漏量，平衡盤高壓側(cè)的液體壓力就會(huì)增加，由于平衡盤低壓側(cè)與泵入口想通，始終為低壓，這就提高了平衡盤兩側(cè)的壓力差，增加了平衡盤上的平衡力，如果轉(zhuǎn)子不斷向后端移動(dòng)，到某一個(gè)位置，平衡力和軸向力相等，達(dá)到平衡。同樣，當(dāng)軸向力小于平衡力時(shí)，轉(zhuǎn)子將向前端移動(dòng)，所以平衡盤動(dòng)靜環(huán)之間的間隙會(huì)增大，平衡盤高壓側(cè)液體壓力隨之下降，平衡盤上承受的平衡力減小，移動(dòng)一定距離后，軸向力和平衡力就會(huì)達(dá)到平衡。所以，平衡盤的平衡狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的，也就是說(shuō)泵的轉(zhuǎn)子在某一平衡位置左右做軸向竄動(dòng)，使平衡盤的軸向間隙（即平衡盤動(dòng)靜環(huán)面之間的間隙）發(fā)生變化。正常情況下該間隙值為0.09 mm到0.14 mm，當(dāng)工作點(diǎn)改變時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)軸向移動(dòng)，具有自動(dòng)平衡軸向力的特點(diǎn)，這就是該泵液力平衡系統(tǒng)的原理，一旦磁力泵的液力平衡破壞，就會(huì)造成平衡盤的長(zhǎng)時(shí)間摩擦，引起損壞。根據(jù)磁力泵的液力平衡系統(tǒng)的原理，經(jīng)過(guò)分析研究可知，該泵液力平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在的2個(gè)缺點(diǎn)是導(dǎo)致平衡盤動(dòng)、靜環(huán)經(jīng)常磨損的主要原因。

一是泵平衡盤動(dòng)靜環(huán)直徑較大，其動(dòng)靜環(huán)的內(nèi)徑為228 mm，所以動(dòng)靜環(huán)面之間的通流面積就比較大，按照平衡盤正常的工作間隙0.09到0.14 mm，可以計(jì)算出平衡盤面處的通流面積 A=228×3.14×（ 0.09～0.14）≈64.4～100.2 mm2， 軸承體上兩個(gè)平衡孔的直徑僅為5 mm，由此可計(jì)算出平衡孔通流面積B=3.14×2.52×2=39.25 mm2。由此可以看出，平衡孔的通流面積比平衡盤正常運(yùn)行期間的過(guò)流面積小很多，機(jī)泵運(yùn)行期間根本無(wú)法滿足液體的流動(dòng)需求，而且由于軸承間隙非常小，從第3路到達(dá)平衡腔的流體也非常少，也無(wú)法補(bǔ)充足夠的液體。所以這就是液力平衡系統(tǒng)存在的第一個(gè)缺點(diǎn)。

二是平衡盤的背側(cè)通過(guò)中空軸與泵入口相同，但通過(guò)中空軸后，軸頭背帽上的回流孔僅為3 mm，回流面積只有3.14×1.52=7.1 mm2，所以平衡盤的背面液體回流阻力就非常大，低壓區(qū)就很難建立。如果平衡盤處過(guò)流量較大時(shí)，來(lái)不及回流，平衡盤低壓側(cè)的液體壓力同樣會(huì)增加，這對(duì)液力平衡系統(tǒng)作用的發(fā)揮非常不利，所以液力平衡系統(tǒng)的效果會(huì)大大降低，導(dǎo)致平衡盤經(jīng)常接觸摩擦而快速磨損。

（2）平衡盤動(dòng)靜環(huán)材料選擇不合適。 由于機(jī)泵每次出現(xiàn)故障，平衡盤的動(dòng)、靜環(huán)表面都會(huì)有不同程度的磨損，即使是短時(shí)間使用后損壞，都會(huì)出現(xiàn)明顯的磨損痕跡，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致動(dòng)、靜環(huán)報(bào)廢。所以又對(duì)平衡盤的材料進(jìn)行分析，經(jīng)查證，該泵設(shè)計(jì)時(shí)選擇的平衡盤動(dòng)靜環(huán)材料為1.4462不銹鋼，中國(guó)牌號(hào)為00Cr22Ni5Mo3N，是一種雙相不銹鋼，由于這種鋼鉻和鉬的含量都很高，因此具有極好的抗點(diǎn)腐蝕和均勻腐蝕的能力。而實(shí)際上，平衡盤動(dòng)、靜環(huán)是一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的摩擦副，雖然正常情況下有介質(zhì)形成一層液膜相隔，但是在機(jī)泵啟動(dòng)、停泵或壓力流量出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，介質(zhì)流量不穩(wěn)定的情況下就會(huì)造成平衡盤動(dòng)靜、環(huán)的接觸和摩擦，所以動(dòng)、靜環(huán)需要具有很好耐磨性能，這樣才能避免碰磨時(shí)出現(xiàn)損傷發(fā)生粘連。而原來(lái)選用的不銹鋼恰恰耐磨性能相對(duì)較弱，不能滿足使用要求，而且該泵為裝車泵，并不是連續(xù)運(yùn)行，每天都必須開停，平衡盤在開停泵過(guò)程中的發(fā)生碰磨的機(jī)會(huì)較多，因此，才導(dǎo)致機(jī)泵的平衡盤動(dòng)、靜環(huán)接觸摩擦后就出現(xiàn)嚴(yán)重磨損而盤不動(dòng)車。

（3）機(jī)泵操作存在不足。灌泵不到位，泵內(nèi)氣體無(wú)法全部排出，開泵時(shí)泵出口閥開啟太快，開度偏大，使泵在開啟后葉輪入口處產(chǎn)生氣蝕的情況，抽不上液體。

從現(xiàn)場(chǎng)操作情況看，該泵的出口有2道閥門，一道為電動(dòng)閘閥，另外一道為手動(dòng)球閥。操作人員在使用該泵時(shí)，首先是電動(dòng)控制全開電動(dòng)閘閥，隨后灌泵啟泵，泵啟動(dòng)后再全開出口手動(dòng)閥，由于該閥為球閥，所以開啟速度較快，幾秒鐘就能達(dá)到全開狀態(tài)，而很多次都會(huì)在該閥打開后，泵內(nèi)產(chǎn)生異響，出口壓力迅速下降，泵內(nèi)各部件出現(xiàn)干磨損壞。后來(lái)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泵出口閥打開1/3時(shí)，其出口壓力就能達(dá)到正常工作壓力，如果再開大，壓力就很可能迅速下降。而且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，泵出口閥開度打開1/3時(shí)，流量也剛好達(dá)到額定流量，再開大時(shí)流量就不會(huì)有什么變化，所以這就是該泵的最佳運(yùn)行工況。通過(guò)這個(gè)情況分析確定，該泵啟動(dòng)時(shí)，正是由于出口閥開啟較快，開度偏大，導(dǎo)致泵入口供液不足而發(fā)生抽空，引起泵體內(nèi)各部件干磨損壞，只是有時(shí)候罐內(nèi)液位較高也就是泵入口壓力較高，這種問(wèn)題才可能避免。所以說(shuō)最初多次開泵過(guò)程造成機(jī)泵損壞，多數(shù)情況都是由于罐內(nèi)液位不夠高，泵入口壓力偏低，而出口閥瞬間全開導(dǎo)致泵內(nèi)抽空而干磨損壞。另外，在灌泵時(shí)，操作人員通常只開入口閥，這就很難將泵體內(nèi)存在的氣相介質(zhì)排出，這也是造成機(jī)泵產(chǎn)生氣蝕的另一個(gè)重要原因。所以應(yīng)針對(duì)2個(gè)問(wèn)題改善操作方法。

四、故障處理

（1）針對(duì)機(jī)泵內(nèi)存在雜質(zhì)的問(wèn)題，將泵入口過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行更換，將原來(lái)使用的30目（網(wǎng)孔寬0.6 mm）改為50目（網(wǎng)孔寬度0.3 mm），這樣就算存在雜質(zhì)，那只能通過(guò)一些較小的顆粒，不會(huì)卡到機(jī)泵口環(huán)內(nèi)，只要定期清理過(guò)濾網(wǎng)就能滿足使用要求，而且隨著長(zhǎng)時(shí)間過(guò)濾，管線內(nèi)的雜質(zhì)也會(huì)減少，清理過(guò)濾網(wǎng)的頻次就自然降低，并不會(huì)對(duì)日常操作帶來(lái)影響。

（2）經(jīng)過(guò)核算，對(duì)該泵軸承體上的平衡孔及泵軸上相應(yīng)的回流孔進(jìn)行了擴(kuò)孔。為了能夠滿足該泵液力平衡系統(tǒng)所需的液體，軸承體上的平衡孔的通流面積應(yīng)該保證不小于平衡盤動(dòng)靜環(huán)面之間的過(guò)流面積，因?yàn)槠胶獗P之間的間隙在0.09～0.14 mm，過(guò)流面積為64.4～100.2 mm2，通過(guò)計(jì)算得知，為了保證這個(gè)通流面積軸承體上的兩個(gè)平衡孔的直徑應(yīng)該為Φ8 mm，所以我們將軸承體上的平衡孔擴(kuò)為Φ8 mm。另外，按照液力平衡需求，平衡盤低壓側(cè)與泵入口之間回流孔的面積也應(yīng)盡量達(dá)到這個(gè)通流面積，只有這樣低壓側(cè)才會(huì)和泵入口保持通暢，在液力平衡過(guò)程中始終保持低壓，使平衡系統(tǒng)的反應(yīng)更靈敏，效果更明顯。由于泵軸上的回流孔直徑本身就足夠大，最終影響液體回流的是軸頭背帽上的小孔，這個(gè)孔原設(shè)計(jì)僅為Φ3 mm，考慮到此回流孔兩側(cè)的壓差比較大，液體流速較大，為了不影響到機(jī)泵的使用效率，我們將該孔由原來(lái)的Φ3 mm擴(kuò)到Φ8 mm，大大提高了液體回流的能力，保證了液力平衡的效果。

（3）由于平衡盤動(dòng)、靜環(huán)原來(lái)的材質(zhì)為1.4462不銹鋼，其耐磨性能較差，經(jīng)過(guò)選型后將平衡盤動(dòng)、靜環(huán)材質(zhì)改為HT250。因?yàn)镠T250為珠光體類型的灰鑄鐵，其強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性均較好，減振性良好。所以改用HT250后，平衡盤動(dòng)、靜環(huán)的耐磨性能會(huì)大大加強(qiáng)，即使使用過(guò)程中出現(xiàn)接觸碰磨，也不至于瞬間磨損拉傷，使用壽命大大延長(zhǎng)。

（4）由于磁力泵屬于自潤(rùn)滑，所以對(duì)灌泵要求比較高，針對(duì)該泵經(jīng)常性開停的特點(diǎn)，在操作上加強(qiáng)改善，要求操作人員在灌泵時(shí)將進(jìn)、出口閥及回流管路閥門全部打開，由泵入口自壓形成液體流動(dòng)，將泵體內(nèi)的氣體排盡，保證泵體內(nèi)能夠完全充滿液體，然后再關(guān)閉出口閥及回流閥。在起泵前，還要根據(jù)實(shí)際的入口壓力（和罐液位有關(guān)）和泵的揚(yáng)程，計(jì)算好泵出口的正常工作壓力，起泵后慢慢打開出口閥門，不必全開，閥門開啟直到泵出口壓力穩(wěn)定在起泵前計(jì)算出的工作壓力，這樣就操作完成，既保證了機(jī)泵內(nèi)灌泵比較充實(shí)，也避免了機(jī)泵開啟后出現(xiàn)抽空，使機(jī)泵運(yùn)行更加穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)上述改造和操作變動(dòng)后，機(jī)泵運(yùn)行情況得到明顯改善，再?zèng)]有出現(xiàn)過(guò)故障，改造效果非常好。

五、結(jié)論

（1）對(duì)于新安裝機(jī)泵特別是類似于磁力泵這種需要介質(zhì)自潤(rùn)滑的設(shè)備，應(yīng)充分清理吹掃設(shè)備管線和設(shè)備本體，合理設(shè)置入口過(guò)濾網(wǎng)，保證介質(zhì)清潔，這是機(jī)泵能夠正常運(yùn)行的首要條件。

（2）磁力泵如果介質(zhì)氣相較多、灌泵不充分時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)汽蝕抽空。氣蝕對(duì)泵的危害非常大，發(fā)生氣蝕時(shí)泵劇烈振動(dòng)，液力平衡嚴(yán)重破壞，將導(dǎo)致泵軸承、平衡盤、葉輪等損壞。所以為了磁力泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須充分地灌注與排氣，灌泵時(shí)將泵入口管路、回流管路、出口管路中的閥門完全打開，將磁力泵的其氣體排出，在輸送液化氣或易汽化的液體時(shí)，更要特別注意，直至保證泵中充滿液體為止。

（3）多級(jí)磁力泵的潤(rùn)滑、冷卻、軸向力平衡，主要是靠自身的液力平衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而液力平衡系統(tǒng)效果的保證必須要求泵內(nèi)輸送的介質(zhì)流量穩(wěn)定、介質(zhì)干凈、各通流回流通道通暢。在磁力泵設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到這一點(diǎn)，使機(jī)泵液力系統(tǒng)各部位的通流面積滿足平衡調(diào)節(jié)的需要，才能充分發(fā)揮液力平衡的作用。

（4）對(duì)于可能存在相互摩擦的部件，應(yīng)選擇耐磨性能好的材料。不銹鋼的耐腐蝕性能非常好，但其耐磨性能卻較差，不適合做平衡盤等存在摩擦的部件。HT250不僅有一定的耐蝕能力而且耐磨性能更好，在平衡盤材料選擇時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。