離心式水泵故障維修及密封性問題探討*

閆殳裔，李光耀，石卓立

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引 言

離心式水泵是應用最為廣泛的水泵，能夠滿足各種生產(chǎn)需要，為了提高離心式水泵的工作效率，需要確保其正常工作和安全性能[1-3]。對離心式水泵存在的問題進行分析，結合實踐經(jīng)驗，找出故障原因，提高離心式水泵的工作性能，減少故障的發(fā)生。離心式水泵的密封性也會影響設備工作，找出影響密封性的原因，并采用軟材料進行密封性的提高，從而增強離心式水泵的工作穩(wěn)定性，保證其正常工作[4，5]。

國內(nèi)外學者對于離心泵進行了大量的分析研究，趙偉國等[6]利用CFD技術對離心泵的葉輪進行優(yōu)化，改善了離心泵的工作性能，降低故障的發(fā)生；Li等[7]分析了離心泵的壓力變化，統(tǒng)計分析其規(guī)律；劉在倫等[8]采用線性回歸方法，分析擬合了離心泵的氣蝕余量，得到轉速與氣蝕余量的變化關系；Sten等[9]利用CFD仿真軟件對非均勻流場下，離心泵轉速和出口壓力的關系進行分析。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，對于現(xiàn)場工作的離心泵故障研究較少，因此，筆者根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，對離心泵工作中出現(xiàn)的常見問題及密封性等進行研究分析，以提高設備穩(wěn)定運行能力。

1 離心式水泵結構及工作原理

1.1 結 構

離心式水泵是能源、動力系統(tǒng)中的流體輸送和增壓設備，其工作狀態(tài)影響整個系統(tǒng)的工作情況[10]。離心式水泵的結構如圖1所示。

圖1 離心泵結構1.泵殼 2.泵軸 3.軸封 4.葉輪

1.1.1 泵 殼

泵殼按照剖分方式的不同，可以分為徑向剖分式和軸向剖分式兩種。泵殼圍繞在離心式水泵外部，主要作用是承受泵體工作時的壓力與負荷。與徑向剖分式兩種，主要作用是承受作業(yè)時產(chǎn)生的工作壓力以及液體熱負荷。一般情況下，對于多級泵來說，徑向剖分的殼體較多，殼體結構一般呈環(huán)形或者圓形；單級泵泵內(nèi)部為螺旋形，外殼為蝸殼式離心式水泵工作時，葉輪拋出的液體能夠有效收集，且可把高處的液體動能轉化為靜壓能，最終液體沿擴散管流出泵口。

1.1.2 泵 軸

泵軸是離心式水泵的動力傳遞部分，能夠保證葉輪的運轉。軸泵的一端連接電動機，另一端固定在葉輪上，帶動葉輪轉動。泵軸上有軸向密封件、軸承等構件。若工作介質(zhì)為一般液體，泵軸材料可以選擇用45鋼；若為腐蝕性液體，則材料應選擇用40Cr，以提高耐用性能。

1.1.3 軸 封

軸封是避免泵殼內(nèi)液體溢出，同時提高離心泵的密封性，防止外界空氣進入泵殼內(nèi)部。離心泵常用軸封方式有兩種，即機械密封與填料密封。實際應用中，為提高密封性能，常選用兩種兼容的方法進行密封，提高設備的封閉性和工作穩(wěn)定性能。

1.1.4 葉 輪

葉輪的形式有四種，即前半開式、后半開式、閉式以及開式。葉輪的主要作用是通過旋轉對液體進行輸送，將機械能轉換為液體的靜壓能和動能。葉輪需要保證較好的耐腐蝕性能，可采用青銅、不銹鋼等材料制作。

1.2 工作原理

離心式水泵驅動方式為電動機，外部主要由電機和離心式水泵兩個部分組成。如圖2所示。

利用軸的旋轉帶動葉輪，將葉輪的機械能轉化為液體的動能，液體在離心力的作用下脫離葉輪，進入排水管道內(nèi)部。同時，由于內(nèi)部液體的排出，葉輪周圍形成真空，在大氣壓的作用下，液體流進葉輪井口，實現(xiàn)介質(zhì)流動的循環(huán)，完成整個排水工作。工作原理如圖3所示。

圖2 離心式水泵圖3 離心式水泵工作原理

2 離心式水泵運行常見故障

2.1 軸承溫度過高

離心式水泵在正常作業(yè)時，由于軸承的高速運轉，會產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不能及時散出，會導致設備溫度過高出現(xiàn)故障。軸承溫度過高的原因較多，常見的原因是油箱內(nèi)油量過少，無法滿足設備正常運行，導致軸承溫度異常。此外。潤滑油質(zhì)量不合格或潤滑油變質(zhì)，降低潤滑效果，導致摩擦增大，也會出現(xiàn)軸承溫度過高的現(xiàn)象。

2.2 水泵揚程不足

水泵揚程不足是離心式水泵的常見故障，離心式水泵揚程不足會造成出口壓力不足，設備無法滿足正常工作需求。揚程不足的主要原因是葉輪存在磨損，影響流體的正常傳輸，或者是水泵出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，導致?lián)P程不足。安裝葉輪前需要進行檢查，避免揚程不足，或者增大進出口液面高度，減少運行故障。

2.3 泵體出水不足

在離心式水泵工作過程中，若流體中含有較多雜質(zhì)，會導致葉輪流道被堵塞。堵塞嚴重時，造成葉輪反轉，導致泵體不能正常出水，而影響設備運行效率。需要及時對葉輪流道進行疏通，提高設備運行穩(wěn)定性與安全性。

2.4 水泵振動過大

離心式水泵工作中，會出現(xiàn)振動，小范圍振動不影響設備的正常工作，但是如果振動超出正常范圍，則表明設備出現(xiàn)故障，需要找出故障原因，采取維修措施。離心泵的安裝不當可能導致螺栓松動、泵管道應力過大而出現(xiàn)振動，導致離心泵無法正常工作。所以對于安裝階段，需要做好設備的固定和安裝工作，減少振動的發(fā)生。

3 水泵密封性問題分析

離心式水泵的密封分為機械密封和填充密封，機械密封存有輕微泄漏，容易導致工作時泄露增大，設備無法正常工作，因此離心式水泵的密封性問題對于設備是否能夠正常工作至關重要。

3.1 機械密封的泄漏點

機械密封利用彈性元件在靜環(huán)和動環(huán)處貼合，利用彈性力達到密封效果。如果彈性元件的彈力太小，水泵靜壓時可能出現(xiàn)輕微泄漏，工作過程中會造成泄露增大，設備無法正常工作。如果彈性元件彈性力太大，會導致設備運轉時機械密封持續(xù)發(fā)熱，導致彈性元件高溫損壞。一般情況下，彈性元件的壓縮量根據(jù)液體介質(zhì)差異和揚程高度，參照水泵功率進行確定。根據(jù)經(jīng)驗公式，彈性元件的壓縮量L=1/2～2/3l(l代表彈簧的總壓縮量)。

以雙級雙吸式增壓水泵為例，液體介質(zhì)為水，揚程230 m，功率1 450 kW，該彈簧的總壓縮量為10 mm，則用于密封的彈簧實際壓縮量6～7 mm為宜。依照近年來安裝經(jīng)驗，按照此原則，未發(fā)生過機械密封泄漏現(xiàn)象。

3.2 機械密封的軸套

軸套的作用有三個：①安裝過程中起到密封和定位的作用；②與動環(huán)O型密封圈形成密閉空間，阻止內(nèi)部液體泄露；③保護水泵軸，避免緊固螺釘安裝時損壞泵軸。對于工作過程中離心式水泵而言，阻止液體泄露是機械密封軸套的主要作用。在水泵運行中，機械密封動環(huán)O形圈與軸套之間就存在微幅相對運動，而軸套表面與動環(huán)O形圈接觸處會留下微幅凸凹不平，用手觸摸約有0.5～0.7 mm的磨損痕跡；為了提高其密封性，在軸套內(nèi)部添加軟填料，降低磨損，提高耐磨性能，密封結構及密封材料填充如圖3所示。

由圖4可知，填充材料的性能對密封結構的密封性影響較大，使用軟填料可以改善氣密性，達到較好的密封效果。軸套選用表面粗糙度在Ra3.2以上，材料應選用1Cr13或2Cr13等耐磨材料，增加其塑性。

圖4 密封結構及密封材料

3.3 水泵密封環(huán)檢修

水泵密封環(huán)的作用是減少內(nèi)部介質(zhì)溢出，同時避免水泵內(nèi)部混入外界空氣。如果密封環(huán)損壞，導致工作過程中水泵出現(xiàn)故障。內(nèi)部液體溢出降低離心式水泵的輸出效率，外界空氣混入則影響離心式水泵的輸送。兩種狀況均會造成離心式水泵故障，需要根據(jù)情況進行檢修。水泵的密封環(huán)嚴格遵循磨損標準和配合間隙，離心式水泵密封環(huán)內(nèi)徑和最大磨損如表1所列。

表1 密封環(huán)內(nèi)徑與最大磨損程度 /mm

因此，在實際維修中，需要按照表1的專業(yè)規(guī)范對密封環(huán)進行檢修。檢查磨損程度是否超過最大允許值，必要時對密封環(huán)進行更換，以保證離心式水泵能夠正常工作。

4 結 語

離心式水泵是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的設備，在使用過程中會出現(xiàn)故障和密封性問題，影響水泵的正常工作。為此，對離心式水泵的結構和工作原理進行分析，并針對不同的故障情況提出維修策略，分析了密封性問題，尋找提高水泵密閉性的方法，對于實際生產(chǎn)和設備維修具有重要意義。及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，有利于保證設備正常運行。