海水泵導(dǎo)軸承支架斷裂原因分析及改進(jìn)措施

黃滄滄

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江寧波 315800）

0 引言

LNG 作為一種低溫液體，溫度達(dá)到-165 ℃，氣化后的天然氣屬于易燃易爆甲A 類火災(zāi)危險(xiǎn)氣體。LNG 接收站是儲(chǔ)存LNG并往外輸送天然氣的場(chǎng)所，LNG 通過(guò)升溫升壓后進(jìn)入天然氣管網(wǎng)輸送至用戶實(shí)現(xiàn)LNG 氣態(tài)外輸[1]。海水泵是LNG 接收站的關(guān)鍵設(shè)備，為L(zhǎng)NG 的氣化外輸提供海水進(jìn)行換熱。

浙江LNG 接收站5 臺(tái)海水泵選用的是日本荏原（EBARA）設(shè)計(jì)制造的立式單級(jí)泵，設(shè)計(jì)流量為7550 m3/h，設(shè)計(jì)壓力為0.346 MPa。在近3 年運(yùn)行期間海水泵陸續(xù)出現(xiàn)類似金屬撞擊的聲音異響，振動(dòng)值較以往有增大的趨勢(shì)，因此逐臺(tái)進(jìn)行拆解檢查。通過(guò)拆解發(fā)現(xiàn)泵筒導(dǎo)軸承支架出現(xiàn)不同程度的斷裂（多見(jiàn)于上部泵筒和中部泵筒）（圖1），吸入口濾網(wǎng)堵塞損壞嚴(yán)重（圖2），運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)金屬件的撞擊摩擦并產(chǎn)生異響。針對(duì)海水泵導(dǎo)軸承支架斷裂的故障原因進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施，從而確保海水泵運(yùn)行的可靠性。

1 海水泵結(jié)構(gòu)及過(guò)濾系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海水泵安裝在海水泵房裝有混凝土隔板的一個(gè)“流道”內(nèi)，以限制低渦的形成。該泵為立式、長(zhǎng)軸、導(dǎo)葉式、混流泵，主要部件包括濾網(wǎng)、吸入段、葉輪、泵筒、泵軸、導(dǎo)軸承、出口彎管及傳動(dòng)部件。泵軸分為5 段，通過(guò)聯(lián)軸節(jié)連接安裝在泵筒部件的導(dǎo)軸承內(nèi)。每個(gè)泵筒與導(dǎo)軸承部件通過(guò)四段支撐筋（支架）對(duì)焊而成，保證泵軸、導(dǎo)軸承及泵筒三者的同心度，確保長(zhǎng)軸泵的平穩(wěn)運(yùn)行。由于介質(zhì)為海水且長(zhǎng)期安裝在海水取水池中，海水泵過(guò)流部件均采用UNS S32750 超級(jí)雙相不銹鋼材質(zhì)。

圖1 導(dǎo)軸承支架斷裂情況

圖2 吸入口濾網(wǎng)

海水自取水口明渠引入，經(jīng)過(guò)一道粗鋼格柵過(guò)濾后進(jìn)入取水口前池。在海水泵進(jìn)水流道上游設(shè)置傾斜式攔污柵及ZD 型移動(dòng)式抓斗清污機(jī)，對(duì)較大的垃圾雜物進(jìn)行二次過(guò)濾。下游設(shè)置XKC-2500 型旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)板的旋轉(zhuǎn)及反沖洗進(jìn)行三次過(guò)濾，將絕大部分垃圾雜物隔絕在外。整套海水過(guò)濾系統(tǒng)可防止泵池發(fā)生快速沉積，并防止大顆粒物質(zhì)可能對(duì)泵造成的損害。

2 故障檢查情況

對(duì)海水泵進(jìn)行拆卸檢查（以C 泵為分析對(duì)象），發(fā)現(xiàn)有大量的垃圾雜物堵塞在吸入口濾網(wǎng)處，濾網(wǎng)變形損壞嚴(yán)重，可見(jiàn)上游的海水過(guò)濾系統(tǒng)未能有效地進(jìn)行隔絕。塑料類、紗布類垃圾易進(jìn)入海水泵泵體并纏繞在泵體部件上，運(yùn)行過(guò)程中與泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行摩擦，造成泵軸、軸套、填料軸套等部件的磨損。

對(duì)泵筒部件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)中部泵筒導(dǎo)軸承支架一側(cè)焊縫熱影響區(qū)位置發(fā)生斷裂，通過(guò)對(duì)導(dǎo)軸承內(nèi)徑、泵筒法蘭止口直徑、軸承座到法蘭止口的距離進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)泵筒止口變橢圓，泵筒止口和導(dǎo)軸承止口同心度偏差較大。如若繼續(xù)使用，則會(huì)造成導(dǎo)軸承失效，泵軸被甩彎，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，最終造成泵性能下降，泵零部件損壞等嚴(yán)重后果。同時(shí)，委托海水泵制造廠日本荏原公司對(duì)支架斷裂部位通過(guò)顯微鏡進(jìn)行分析，斷口截面處可觀察到明顯的疲勞破壞形態(tài)。

3 故障原因分析

根據(jù)海水泵拆解檢查情況，對(duì)造成海水泵導(dǎo)軸承支架斷裂的原因進(jìn)行綜合分析，整套海水過(guò)濾系統(tǒng)未能達(dá)到預(yù)期的過(guò)濾效果，導(dǎo)致仍有大量漂浮垃圾及懸浮垃圾從外海進(jìn)入取水口前池及泵池。在海水泵抽吸過(guò)程中，大量淤泥及垃圾堵塞吸入口濾網(wǎng)，導(dǎo)致濾網(wǎng)處過(guò)水量小，造成濾網(wǎng)變形損壞。海水泵入口流量不穩(wěn)定引起泵體振動(dòng)加劇，在疲勞應(yīng)力的作用下，引起導(dǎo)軸承支架斷裂[3]。

（1）設(shè)備因素。海水泵導(dǎo)軸承支架設(shè)計(jì)欠優(yōu)。支架與泵筒、支架與導(dǎo)軸承均為焊接形式連接，為確保泵筒與導(dǎo)軸承的同心度，要求較高的焊接工藝技術(shù)要求，同時(shí)不可避免在焊縫熱影響區(qū)位置存在焊接殘余應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。海水泵振動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致在導(dǎo)軸承支架薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力疲勞斷裂。海水泵濾網(wǎng)骨架選用的是直徑12 mm 的不銹鋼空心管，未綜合考慮當(dāng)?shù)睾Ｋh(huán)境中含大量的泥沙及一定數(shù)量的垃圾，設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，從而導(dǎo)致濾網(wǎng)堵塞后易破損，骨架鋼管斷裂。

（2）環(huán)境因素。LNG 接收站位于寧波北侖近海區(qū)，淤泥沉積量大，漂浮垃圾數(shù)量較多。海水通過(guò)取水口明渠進(jìn)入到前池及泵池，明渠過(guò)濾格柵設(shè)計(jì)不合理，其網(wǎng)格最小規(guī)格為1075 mm×208 mm，海面漂浮過(guò)來(lái)的絕大部分垃圾雜物均能進(jìn)入，無(wú)法起到隔離過(guò)濾的作用。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間后，橡膠密封擋條產(chǎn)生磨損，密封間隙增大，過(guò)濾精度降低，且海水中泥沙將部分噴嘴堵塞，反沖洗水量不足，導(dǎo)致部分垃圾經(jīng)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)過(guò)濾后堆積在排出口繼而掉入泵池，造成一定數(shù)量的垃圾雜物仍可進(jìn)入泵池。

4 改進(jìn)措施

對(duì)海水泵導(dǎo)軸承支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，導(dǎo)軸承支架為鑄造結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為超級(jí)雙相不銹鋼（UNS S32750）。支架由法蘭盤(pán)、支撐筋、導(dǎo)軸承座構(gòu)成，法蘭盤(pán)用于與泵筒（外管）連接，支撐筋用于連接法蘭盤(pán)和導(dǎo)軸承座，厚度比改造前大，支撐端斜度連接，接觸面積增大，能承受更大的應(yīng)力，泵筒和導(dǎo)軸承支架之間采用螺栓連接，中間加墊塊，防止泵筒因壁厚太小產(chǎn)生變形，安全可靠性高。擋流板是由3 mm 厚的鋼板制作的錐形環(huán)，可引導(dǎo)海水在導(dǎo)軸承支架處平緩?fù)ㄟ^(guò)。通過(guò)將海水泵振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力分散到法蘭盤(pán)螺栓處，從而避免焊縫熱影響區(qū)部位發(fā)生疲勞斷裂[2]。該項(xiàng)設(shè)計(jì)已獲得實(shí)用新型專利證書(shū)《一種海水泵外管導(dǎo)軸承支架結(jié)構(gòu)》。導(dǎo)軸承支架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

對(duì)吸入口濾網(wǎng)進(jìn)行測(cè)繪并重新設(shè)計(jì)，在確保不影響海水吸入量的前提下，采用強(qiáng)度較高的不銹鋼鋼板作為底面及環(huán)向的骨架（替代原設(shè)計(jì)中直徑12 mm 的不銹鋼空心管），網(wǎng)格鋼筋相應(yīng)加大，濾網(wǎng)承受能力大大增強(qiáng)。

圖3 導(dǎo)軸承支架結(jié)構(gòu)

為改善并提高海水過(guò)濾系統(tǒng)的效能，在取水口明渠原鋼格柵（格柵格子最小規(guī)格為1075 mm×208 mm）基礎(chǔ)上安裝小規(guī)格的玻璃鋼格柵板（網(wǎng)格最小規(guī)格為5 mm ×5 mm），從而將絕大部分垃圾雜物過(guò)濾在外，減少進(jìn)入前池的垃圾數(shù)量。同時(shí)，對(duì)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)改造，更換安裝橡膠密封擋條，保證密封間隙；對(duì)反沖洗噴嘴進(jìn)行疏通或更換，并安裝水密窗，對(duì)垃圾過(guò)濾沖洗情況進(jìn)行監(jiān)控，從而確保整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)的有效投用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)海水泵導(dǎo)軸承支架斷裂故障的原因分析，及時(shí)采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。對(duì)海水泵導(dǎo)軸承支架及吸入口濾網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，加強(qiáng)設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，徹底解決因設(shè)備振動(dòng)引起導(dǎo)軸承支架疲勞斷裂的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)取水口明渠鋼格柵及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)改造，提高海水過(guò)濾系統(tǒng)的效能，減少進(jìn)入前池及泵池的垃圾數(shù)量，從而提高海水泵設(shè)備運(yùn)行的可靠性。今后，在海水泵前期設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素的影響，及早采取防范措施，從而確保海水泵設(shè)備的可靠投用。