立式長(zhǎng)軸泵泵軸損壞分析及替代方案比較

楊燕秋

上海電氣電站集團(tuán)工程公司 上海 201199

1 立式長(zhǎng)軸泵簡(jiǎn)介

立式長(zhǎng)軸泵是一種離心泵，采用立式安裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、啟動(dòng)前無(wú)需灌泵或抽真空、耐汽蝕性能好、占地面積小和工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。此類泵可以用來(lái)輸送清水、雨水、氧化鐵皮水、污水、具有腐蝕性的工業(yè)廢水和海水等液體。

立式長(zhǎng)軸泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖1 立式長(zhǎng)軸泵結(jié)構(gòu)示意圖

立式長(zhǎng)軸泵由于具有眾多優(yōu)點(diǎn)，在火力發(fā)電站中有廣泛應(yīng)用。以印度尼西亞R項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目為海邊燃煤發(fā)電站，采用海水作為凝汽器冷卻水，并配有海水淡化系統(tǒng)。電站中采用的小型立式長(zhǎng)軸泵配置見(jiàn)表1。

2 長(zhǎng)軸損壞原因分析

雖然立式長(zhǎng)軸泵具備多種優(yōu)點(diǎn)，但是由于泵軸很長(zhǎng)，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、運(yùn)行維護(hù)或泵本身存在缺陷的話，在調(diào)試及后續(xù)運(yùn)行中極易出現(xiàn)泵軸磨損、彎曲甚至斷裂的現(xiàn)象。軸的彎曲過(guò)大將增大水泵轉(zhuǎn)子的晃度，晃度增大將增加密封環(huán)及導(dǎo)葉襯套間隙，如果襯套間隙過(guò)大，還會(huì)形成渦流，引起水泵振動(dòng)，降低水泵效率及使用壽命，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成停泵，甚至系統(tǒng)癱瘓。尤其是小型立式長(zhǎng)軸泵，由于安裝地點(diǎn)多，長(zhǎng)軸較細(xì)，易被制造、安裝及運(yùn)行人員忽視，導(dǎo)致?lián)p壞點(diǎn)頻繁出現(xiàn)。在R項(xiàng)目調(diào)試、運(yùn)行期間，立式長(zhǎng)軸泵經(jīng)常發(fā)生振動(dòng)偏大的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)檢修拆解，發(fā)現(xiàn)有多臺(tái)各種型號(hào)立式長(zhǎng)軸泵的泵軸不同程度反復(fù)出現(xiàn)了磨損、彎曲甚至斷裂的現(xiàn)象。

圖2 立式長(zhǎng)軸泵實(shí)物圖

由圖1可以看出，立式長(zhǎng)軸泵的泵軸主要可以分為電機(jī)軸、傳動(dòng)軸及葉輪軸。如果液下深度較深的話，傳動(dòng)軸還可分為多個(gè)軸段，一般所說(shuō)的泵軸彎曲指的是傳動(dòng)軸彎曲?？梢詮脑O(shè)備運(yùn)行管理、安裝、設(shè)計(jì)、質(zhì)量及系統(tǒng)等方面入手[2]分析造成泵軸損壞的主要原因。

表1 R項(xiàng)目小型立式長(zhǎng)軸泵配置

2.1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理

泵軸彎曲是造成水泵振動(dòng)大的原因之一，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)水泵振動(dòng)偏大之后，首先可以檢查水泵的運(yùn)行環(huán)境是否符合說(shuō)明書(shū)要求，例如：使用工況是否與設(shè)計(jì)工況差別較大，從而使泵產(chǎn)生徑向力；水體中是否有較多雜質(zhì)硬物，吸入泵內(nèi)，對(duì)泵軸造成損害；保護(hù)是否失靈，在低水位時(shí)未能及時(shí)停泵甚至長(zhǎng)時(shí)間干轉(zhuǎn)，造成水泵各部件之間干摩擦；中間軸承是否磨損過(guò)大或損壞，如果沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)更換，會(huì)引起水泵的徑向不均勻跳動(dòng)，并對(duì)長(zhǎng)軸造成磨損[3]。

2.2 安裝質(zhì)量

如果水泵運(yùn)行條件及各部件狀況符合說(shuō)明書(shū)要求，則需檢查水泵基礎(chǔ)、管道支撐是否牢固，安裝水平度是否超差，各泵軸、電機(jī)軸是否達(dá)到同軸度要求。根據(jù)美國(guó)一項(xiàng)研究表明，大約50%的機(jī)械設(shè)備損壞是由于軸的同軸度校準(zhǔn)不當(dāng)所致[4]。此外，填料壓得過(guò)緊，造成抱軸現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致軸因摩擦發(fā)熱而變形或磨損。

2.3 設(shè)計(jì)及質(zhì)量

長(zhǎng)軸泵本身設(shè)計(jì)上的不足可導(dǎo)致泵軸損壞，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1) 軸的直徑過(guò)細(xì)或每一段軸的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成軸剛度不足[5-6]，導(dǎo)致在運(yùn)行中容易彎曲變形。

(2) 軸沒(méi)有保護(hù)，當(dāng)輸送介質(zhì)中顆粒物較多時(shí)容易使軸磨損。

(3) 軸的材料無(wú)法耐受通流介質(zhì)，特別是具有一定腐蝕性的介質(zhì)，根據(jù)介質(zhì)含鹽量可以采用 316L 不銹鋼或雙相不銹鋼等。

(4) 軸的加工問(wèn)題。加工中如有制造誤差或?qū)χ胁涣嫉葐?wèn)題，產(chǎn)生以離心力為表征的周期性干擾力，從而會(huì)引起泵軸彎曲[7]。又如每根軸的同軸度超差或者連接后整體軸的同軸度超差，將加速導(dǎo)致軸承的磨損，進(jìn)而對(duì)軸造成損傷[8]。

(5) 軸承座與軸承加工問(wèn)題，使軸承與軸間隙過(guò)大，軸與軸承同心度差，易出現(xiàn)軸的抖動(dòng)現(xiàn)象，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)軸造成損害[9]。

(6) 聯(lián)軸器設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致軸松脫，造成軸的損壞。

2.4 回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題

在回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮泵的運(yùn)行環(huán)境，即流體環(huán)境。在進(jìn)水流態(tài)不理想的情況下，需要設(shè)置導(dǎo)流錐等保護(hù)措施。如果與其它泵共用流道，由于進(jìn)水流道的不合理設(shè)計(jì)使進(jìn)水條件惡化，產(chǎn)生漩渦，會(huì)導(dǎo)致立式長(zhǎng)軸泵振動(dòng)并對(duì)長(zhǎng)軸造成損害[10]。此外，需合理選型，避免水泵由于偏離設(shè)計(jì)工況而導(dǎo)致各過(guò)流部件損壞。

3 處理方法

3.1 校軸

如果是運(yùn)行維護(hù)或安裝問(wèn)題導(dǎo)致軸彎曲的話，可以將軸送入加工廠進(jìn)行校軸。

3.2 換軸

如果軸損壞較為嚴(yán)重，表面有裂紋，或由于沖刷形成較深的溝痕，多次校軸而又彎曲，或者由于軸制造本身存在問(wèn)題，那么需要聯(lián)系制造廠家進(jìn)行換軸。

3.3 換泵或改進(jìn)設(shè)計(jì)

如果由于泵設(shè)計(jì)存在問(wèn)題或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，那么需要對(duì)泵進(jìn)行改進(jìn)，增加護(hù)軸套管，更換軸的材料，增長(zhǎng)軸的直徑等，或采用其它泵型進(jìn)行替換。

4 技術(shù)替代方案比較

除了上述對(duì)立式長(zhǎng)軸泵泵軸的處理方法之外，還可以從項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期考慮用其它設(shè)計(jì)方案進(jìn)行替代。這些替代方案雖然避免了一些立式長(zhǎng)軸泵帶來(lái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，但也有局限性。

4.1 深挖泵房

馬來(lái)西亞B項(xiàng)目采用了深挖泵房，降低取水深度的設(shè)計(jì)方案。B項(xiàng)目使用附近河流作為凝汽器循環(huán)冷卻水的補(bǔ)水及全廠其它用水的水源，業(yè)主方負(fù)責(zé)引水至河水提升泵房，河水經(jīng)過(guò)提升進(jìn)入原水水庫(kù)，再經(jīng)過(guò)一次提升后進(jìn)入原水預(yù)處理系統(tǒng)。B項(xiàng)目的河水提升泵房取水方案如圖3所示，采用立式長(zhǎng)軸泵取水的印尼R項(xiàng)目循環(huán)水泵房前池取水方案如圖4所示。

B項(xiàng)目河水提升泵房及原水水庫(kù)泵房中取水泵的配置見(jiàn)表2。

對(duì)比圖3及圖4，可以看出B項(xiàng)目將泵房挖深，使得水泵取水深度大幅減小，采用可靠性較高、維護(hù)更便利的臥式離心泵來(lái)替代立式長(zhǎng)軸泵，減小了長(zhǎng)軸泵泵軸損壞帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)增加了土建的工程量、管道長(zhǎng)度等，使得施工工期及費(fèi)用有所增加。

圖3 B項(xiàng)目河水提升泵示意圖

圖4 R項(xiàng)目海水提升泵示意圖

表2 B項(xiàng)目取水泵配置

4.2 采用自吸泵或潛水泵

在某些情況下，考慮到運(yùn)行維護(hù)便利，可以采用自吸泵或潛水泵來(lái)替代立式長(zhǎng)軸泵。自吸泵安裝示意圖如圖5所示，潛水泵實(shí)物如圖6所示。

圖5 自吸泵安裝示意圖

圖6 潛水泵實(shí)物圖

當(dāng)然，上述兩種泵型也有局限性。自吸泵的取水深度有限，一般允許吸深不超過(guò)5m。此外，自吸泵的效率也較立式長(zhǎng)軸泵低，汽蝕余量小，更易發(fā)生汽蝕破壞，啟動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)[11]。這些都需要在設(shè)計(jì)排水坑及泵選型時(shí)加以考慮。

潛水泵由于整個(gè)泵及電機(jī)都浸沒(méi)在輸送介質(zhì)中，特別需要考慮材質(zhì)在輸送介質(zhì)中的耐受性。如果介質(zhì)是海水，則要采用耐海水腐蝕的不銹鋼等材料，這使得造價(jià)會(huì)有所上升。另外，連接電機(jī)的電纜也有一部分浸泡在水中，特別是電機(jī)與電纜的接頭處，如果在運(yùn)輸、存放或施工中不慎被劃傷，則會(huì)導(dǎo)致水泵在調(diào)試中發(fā)生電機(jī)短路故障。

綜上所述，當(dāng)在可間歇運(yùn)行、輸送介質(zhì)條件較差場(chǎng)合，不在關(guān)鍵位置且作為排水泵時(shí)，上述兩種泵型不失為替代立式長(zhǎng)軸泵的優(yōu)選，但需注意設(shè)計(jì)、使用得當(dāng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在取水深度較深的情況下，立式長(zhǎng)軸泵因其占地面積小、效率高、總體經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)成為優(yōu)選。但是，如果不能預(yù)防長(zhǎng)軸易損壞的問(wèn)題，則會(huì)給電廠的生產(chǎn)運(yùn)行造成不利影響。因此，在回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及泵選型時(shí),除了選擇優(yōu)質(zhì)的設(shè)備供應(yīng)商外，還需要考慮項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安裝、運(yùn)行人員的技術(shù)水平，尤其對(duì)于海外電廠項(xiàng)目，輸送補(bǔ)件的條件均較差，且不利于及時(shí)維修，更應(yīng)慎重評(píng)估。

另一方面，在綜合考慮水泵的用途、工程造價(jià)、施工工期等因素后，也可以采用深挖泵房、使用自吸泵或潛水泵替代立式長(zhǎng)軸泵等方案。

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