消防水站立式多級穩(wěn)壓泵平衡鼓改造

龐喜

（中海油東方石化有限責(zé)任公司運(yùn)行五部，海南 東方 572600）

1 概況

某煉油廠消防水站消防穩(wěn)壓泵P-03A/B為湖南耐普泵業(yè)有限公司的80DL-20×4型立式四級多級泵。該型機(jī)泵在運(yùn)行過程中曾出現(xiàn)振動(dòng)偏高、軸承溫度高、盤不動(dòng)車等多種問題，直接影響機(jī)泵安全平穩(wěn)運(yùn)行及消防水系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 平衡鼓的結(jié)構(gòu)

離心泵在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子上會(huì)作用著軸向力，此作用力會(huì)使轉(zhuǎn)子沿軸向移動(dòng)，轉(zhuǎn)子移動(dòng)會(huì)造成動(dòng)靜部位摩擦，因此必須設(shè)法消除或平衡此軸向力。多級離心泵平衡軸向力的方式一般為平衡盤裝置和平衡鼓結(jié)構(gòu)。消防穩(wěn)壓泵P-03A/B所采用的是平衡鼓結(jié)構(gòu)來平衡轉(zhuǎn)子軸向力。

平衡鼓是一個(gè)圓柱體，裝在泵的末級葉輪背后，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。平衡鼓外圓表面與泵體間形成徑向間隙。平衡鼓前面是末級葉輪的后泵腔，內(nèi)部壓力為P3，此處壓力較高；后面通過平衡管與吸入口相連通的平衡室，內(nèi)部壓力為P5，此處壓力較低。如圖1所示。

圖1 平衡鼓工作原理圖

因此，平衡室中的壓力P5等于吸入室中液體壓力與平衡管中阻力損失之和。平衡鼓與泵殼密封環(huán)之間有極小的間隙（通常約0．2～0．3mm），所以平衡鼓兩側(cè)有很大壓力差△p=P3-P5，就是利用這個(gè)壓力差來平衡指向入口方向的軸向推力。為了減少從平衡鼓前的高壓區(qū)漏向平衡室，平衡鼓套之間隙應(yīng)盡量小，有時(shí)也將其制成迷宮形式。采用這種裝置，一方面可平衡軸向力，另一方面可減小密封腔內(nèi)壓力，使兩端密封腔內(nèi)壓力基本相同。平衡鼓裝置只能平衡軸向推力，不能限制轉(zhuǎn)子的位置，且在工況變動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)無規(guī)律的竄動(dòng)，造成殘余不平衡力，因此裝有平衡鼓的泵，必須加裝止推軸承裝置。

3 離心泵盤不動(dòng)車的原因分析

離心泵盤不動(dòng)車的原因通常有以下幾種：第一，葉輪被異物卡阻。第二，軸彎曲。第三，聯(lián)軸器被異物卡阻。第四，動(dòng)靜部件損壞。第五，動(dòng)靜部件生銹等。通過對該分段式多級離心泵的拆卸檢查，逐步排除了異物卡阻、動(dòng)靜部件損壞、軸彎曲等原因，最終確認(rèn)其主要原因是平衡鼓與平衡套生銹，兩者之間的間隙被鐵銹填滿，平衡鼓失效進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子抱死，具體情況如下。

3.1 軸彎曲檢查

圖2 泵軸剖分圖

根據(jù)圖2所示的泵軸剖分，選擇合適的軸彎曲度測量點(diǎn)以進(jìn)行軸彎曲檢查。泵軸徑50mm，泵軸彎曲（mm）“0”位以對輪鍵向上，從對輪端看，順時(shí)針轉(zhuǎn)。

表1 主軸彎曲度、橢圓度、錐度表

從表1數(shù)據(jù)可見，該泵泵軸未發(fā)生彎曲。

3.2 動(dòng)靜部件檢查

（1）軸承檢查。該泵采用了SKF 7310B/DB角接觸球軸承。①拆檢前，在泵殼外用紅外線電子測溫儀檢測發(fā)現(xiàn)軸承發(fā)熱現(xiàn)象；拆檢后，觀察軸承表面有輕微疲勞磨損痕跡。②使用一只手握住軸承內(nèi)圈，另一只手旋轉(zhuǎn)該軸承外圈，旋轉(zhuǎn)起來平穩(wěn)，沒有阻擋感，沒在軸承溝道內(nèi)有異物的存在。軸承在旋轉(zhuǎn)過程中，未發(fā)現(xiàn)“嚓嚓”的摩擦聲。

（2）平衡鼓和平衡套檢查。平衡鼓的間隙常取0．2～0．3mm。平衡鼓的泄漏量很大，一般約為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量的5%～25%。拆檢過程中，發(fā)現(xiàn)該泵原平衡鼓及平衡套材質(zhì)均為HT250，為珠光體類型的灰鑄鐵。

灰鑄鐵的特性如下：①灰鑄鐵因其中含有石墨，石墨是很好的潤滑劑，故灰鑄鐵具有良好的潤滑性能和減磨消震性能。既有利于潤滑，可經(jīng)受滑動(dòng)摩擦，又能有效吸收設(shè)備振動(dòng)的能量，從而起到阻尼的作用。②灰鑄鐵具有良好的導(dǎo)熱性能，可迅速將大量的熱量導(dǎo)走。因此，以灰鑄鐵作為平衡鼓和平衡套的材質(zhì)選擇具有其合理性。但是，因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)的特性，灰鑄鐵的作用可能就會(huì)受限。

平衡鼓與平衡套腐蝕生銹，兩者之間的間隙被鐵銹填滿，導(dǎo)致平衡鼓失效進(jìn)而轉(zhuǎn)子抱死，盤不動(dòng)車。初次拆檢修復(fù)后間隙逐漸變大，增大至約0．5mm，泄漏量也隨之增大，造成平衡鼓平衡軸向力的效果降低。不平衡的軸向力加重了SKF 7310B/DB止推軸承的負(fù)荷，使軸承較之前溫度升高，加快損壞；另外，可使轉(zhuǎn)子向入口竄動(dòng)，造成振動(dòng)并可能磨損口環(huán)，使轉(zhuǎn)子與定子部分摩擦，進(jìn)而使泵損壞。如圖3所示。

圖3 立式多級離心泵結(jié)構(gòu)示意圖

平衡鼓和平衡套灰鑄鐵材質(zhì)是否適用于現(xiàn)在的運(yùn)行工況，則需通過對輸送介質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)分析來判斷。消防水補(bǔ)水的來源是新鮮水，且消防水站位于沿海地區(qū)，其詳細(xì)分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 新鮮水化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表

為防止給水系統(tǒng)腐蝕，對于金屬管道來說，pH值維持在8．8～ 9．3更為理想。從表 2數(shù)據(jù)顯示，pH(25℃)=7．6，遠(yuǎn)小于理想值。

綜上所述，因輸送介質(zhì)消防水的特性，灰鑄鐵材質(zhì)的平衡鼓和平衡套并不適用于此種運(yùn)行工況。

4 改造

4.1 改造方案

經(jīng)過與廠家溝通、技術(shù)論證和調(diào)研，最終選定平衡鼓與平衡套分別變換為1Cr13馬氏體不銹鋼平衡鼓和ZCuZn16Si4鑄硅黃銅平衡套。

1Cr13馬氏體不銹鋼的特性如下：①具有耐化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕性能。②耐熱、耐高溫，還耐低溫。③具有很高的強(qiáng)度、硬度，適于制造既耐腐蝕又需要高強(qiáng)度、高耐磨性的零件。

ZCuZn16Si4鑄硅黃銅的特性如下：①具有較高的力學(xué)性能；②具有良好的耐腐蝕性。

不銹鋼平衡鼓和黃銅平衡套的使用，降低了兩者之間的膠粘作業(yè)，既不會(huì)被介質(zhì)腐蝕，又減少了內(nèi)部泄漏。此外，將轉(zhuǎn)子重新做動(dòng)平衡，減少質(zhì)量不平衡帶來的振動(dòng)影響。

4.2 改造效果

按照上述改造方案對立式多級穩(wěn)壓泵進(jìn)行拆裝改造，并利用離線監(jiān)測手段對止推軸承進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，如圖4和圖5所示。

圖4 SKF 7310B/DB角接觸球軸承水平方向振動(dòng)速度頻譜圖

圖5 SKF 7310B/DB角接觸球軸承垂直方向振動(dòng)速度頻譜圖

（1）振動(dòng)值分析。根據(jù)GB 10889-1989《泵的振動(dòng)測量與評價(jià)方法》的泵的分類，該立式多級穩(wěn)壓泵轉(zhuǎn)速1480r/min，中心高（取立式泵的出口法蘭密封面到泵軸線間的投影距離的相當(dāng)尺寸）300mm，屬于第二類別。從圖4和圖5的SKF 7310B/DB角接觸球軸承振動(dòng)速度頻譜圖所示，其水平方向振動(dòng)值為0．9513mm/s，垂直方向振動(dòng)值1．618mm/s，均小于2．8mm/s，屬于B級，即該泵可以長期運(yùn)行是合格狀態(tài)。

（2）軸承故障特征頻率分析。SKF 7310B/DB角接觸球軸承的故障特征頻率（階次）分別為：①BPFO（滾珠通過外環(huán)頻率，表示在軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，軸承外環(huán)的缺陷被滾珠或滾子經(jīng)過的次數(shù)）：4．906。②BPFI（滾珠通過內(nèi)環(huán)頻率，表示在軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，軸承內(nèi)環(huán)的缺陷被滾珠或滾子經(jīng)過的次數(shù)）：7．094。③FIFO（保持架過外環(huán)頻率，這為滾子或滾珠圍繞軸承移動(dòng)的相對于外環(huán)的速度）：0。④FTFI（保持架過內(nèi)環(huán)頻率，這為滾子或滾珠圍繞軸承移動(dòng)的相對于內(nèi)環(huán)的速度）：0．409。⑤BSF（滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率，表示在軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，單個(gè)滾動(dòng)體在圈內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)）：2．03。

從圖4和圖5的頻譜圖所示，該泵SKF 7310B/DB角接觸球軸承未出現(xiàn)軸承故障特征頻率。

綜上所述，可判斷該立式多級穩(wěn)壓泵經(jīng)過改造后數(shù)月，運(yùn)行狀況穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。機(jī)泵日常例行檢查時(shí)，定期盤車輕松，軸承溫度正常。

5 結(jié)語

隨著立式多級離心泵在石油化工生產(chǎn)行業(yè)中的廣泛運(yùn)用，因設(shè)備配件材質(zhì)與物料性質(zhì)、工藝要求、使用環(huán)境等因素的綜合作用導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行工況不良。采用上述分析研究方法，減少了故障，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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