立式多級(jí)筒袋泵電機(jī)電流增大原因分析及處理

于杰鵬

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100）

1 概 述

中海石油華鶴煤化有限公司（簡(jiǎn)稱華鶴煤化）300kt／a合成氨裝置采用托普索工藝，合成冷凍工段液氨罐區(qū)共有2臺(tái)冷氨泵（A／B，一開一備），其作用是將氨罐區(qū)2臺(tái)常壓液氨貯罐（單壁貯罐，單臺(tái)容積5000m3）中-33.9℃的低溫液氨連續(xù)送出，并經(jīng)氨加熱器加熱至25℃后送520kt／a尿素裝置。

華鶴煤化冷氨泵為大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的LDB-A80-65X8-7型立式懸吊泵，為立式、兩層殼體、（多級(jí)部分）徑向剖分結(jié)構(gòu)離心泵，外殼體直徑800mm、深3850mm，外殼（筒袋）只承受泵入口壓力，外殼長(zhǎng)度以及泵的安裝深度取決于對(duì)NPSHa汽蝕性能的要求；中軸為三段軸套連接形式，多級(jí)部分葉輪為單吸徑向式，配有單級(jí)殼體，第一級(jí)葉輪為雙吸式葉輪；軸向力主要由平衡盤平衡，向心推力球軸承承受殘余軸向力，軸承依靠軸承箱內(nèi)潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，并有獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)；流體動(dòng)力潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承位于泵的多級(jí)部分入口端，軸端密封為雙端面機(jī)械密封，并帶有沖洗液封及冷卻系統(tǒng)。冷氨泵原動(dòng)機(jī)為佳木斯電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的三相異步電機(jī)，其型號(hào)為YB3-315-2。冷氨泵主要性能參數(shù)見表1，其結(jié)構(gòu)如圖1。

表1冷氨泵主要性能參數(shù)

圖1 冷氨泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 故障現(xiàn)象

2020年3月26日冷氨泵B整體大修結(jié)束后，于當(dāng)日09：33啟動(dòng)，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均正常，電機(jī)電流190A（正常運(yùn)行指標(biāo)）。2020年3月29日白班操作人員發(fā)現(xiàn)冷氨泵B電機(jī)電流緩慢增大，當(dāng)日23：33電流增至211A，備用冷氨泵A投用，當(dāng)即停運(yùn)冷氨泵B，檢修人員在線檢查冷氨泵B機(jī)械密封、止推軸承，復(fù)查對(duì)中后試泵，問題得不到解決。2020年4月7日在線調(diào)整冷氨泵B平衡盤間隙，試泵電流仍超高，接近230A的聯(lián)鎖值，且泵盤車伴隨有剮蹭。鑒于當(dāng)時(shí)冷氨泵B運(yùn)行存在較大風(fēng)險(xiǎn)，如果葉輪口環(huán)抱死（即動(dòng)、靜部分剮蹭），將會(huì)對(duì)葉輪、泵軸、導(dǎo)葉等造成不可逆的損傷，且短時(shí)間內(nèi)難以修復(fù)，系統(tǒng)有減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。本著保障設(shè)備本體安全的原則，決定對(duì)冷氨泵B解體大修，以便查找其電機(jī)電流增大的原因，消除設(shè)備運(yùn)行隱患。隨后對(duì)冷氨泵B進(jìn)行隔離置換，解體發(fā)現(xiàn)其多級(jí)葉輪口環(huán)出現(xiàn)剮蹭、泵體石墨軸襯磨損嚴(yán)重。

3 故障原因分析與排查

3.1 故障可能原因推測(cè)

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的初步分析，判斷冷氨泵B運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件發(fā)生碰磨，即葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)摩擦產(chǎn)生高溫，其表面金屬軟化、磨損，如此惡性循環(huán)，加劇各部件的磨損；當(dāng)磨損達(dá)到一定程度后，泵效率會(huì)受到影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子平衡量改變、出現(xiàn)噪音及運(yùn)行電流增大，最終轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件抱死而致設(shè)備本體損傷。

進(jìn)一步分析，可能有以下五方面的原因：①各部件安裝間隙不合適，運(yùn)行時(shí)發(fā)生異常摩擦；②泵出現(xiàn)“抽空”，聚集的熱量增多使介質(zhì)溫度升高而致其內(nèi)部異常磨損；③口環(huán)間隙超標(biāo)；④泵軸彎曲度過大，致口環(huán)徑向（累計(jì)）間隙超過泵體口環(huán)間隙最小值；⑤轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡。

3.2 故障可能原因排查

（1）經(jīng)查實(shí)，在前一次大修安裝過程中冷氨泵B嚴(yán)格按照相關(guān)檢修規(guī)程及制造廠提供的數(shù)據(jù)表進(jìn)行安裝，各部位間隙均正確，檢修記錄可查，且解體檢查未發(fā)現(xiàn)安裝方面存在問題，故基本可排除裝配方面的原因。

（2）泵運(yùn)行過程中如發(fā)生“抽空”，泵出口流量及壓力將會(huì)大幅波動(dòng)，但查看冷氨泵B運(yùn)行曲線及泵出口流量、壓力，冷氨泵B電機(jī)電流升高前后整體運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均正常，故可排除“抽空”及工況方面的原因。

（3）結(jié)合前一次設(shè)備維修時(shí)口環(huán)間隙數(shù)據(jù)與口環(huán)跳動(dòng)量（表2）及軸彎曲度測(cè)量數(shù)據(jù)（入口軸襯0.03mm、一級(jí)葉輪安裝位0.02mm、下軸襯安裝位0.01mm、中軸襯安裝位0.01mm、下徑向軸承安裝位0.01mm、上徑向軸承安裝位0mm、多級(jí)入口軸封0.02mm、止推軸承安裝位0mm、聯(lián)軸節(jié)安裝位0mm），葉輪初裝到主軸上后，其口環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中存在徑向偏差，泵體的中段口環(huán)也存在徑向偏差。葉輪每完成一個(gè)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)有某個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，局部出現(xiàn)葉輪與殼體口環(huán)徑向間隙的最小值或最大值，且旋轉(zhuǎn)的主軸會(huì)有輕微彎曲和變形，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的最大撓度。當(dāng)這種徑向跳動(dòng)極限值與最大撓度值疊加后，某一級(jí)葉輪與殼體口環(huán)的徑向間隙局部動(dòng)態(tài)出現(xiàn)最小間隙；但有關(guān)數(shù)據(jù)表明，總體上冷氨泵B仍可滿足0.40～0.45mm［1］的口環(huán)間隙設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表2 冷氨泵B的葉輪口環(huán)安裝間隙值與口環(huán)跳動(dòng)量mm

（4）冷氨泵B解體檢查中，發(fā)現(xiàn)其起到轉(zhuǎn)子徑向定位作用的軸襯（石墨滑動(dòng)軸承）磨損量嚴(yán)重超標(biāo)（設(shè)計(jì)值0.2～0.3mm），特別是多級(jí)部分進(jìn)口段及出口段軸襯磨損量達(dá)3.61mm，為此，問題的分析方向轉(zhuǎn)為確定軸襯（石墨滑動(dòng)軸承）異常磨損的原因。

3.3 故障原因深入分析

3.3.1 徑向滑動(dòng)軸承（軸襯）工作原理

據(jù)立式多級(jí)筒袋泵的工作原理可知，其軸采用剛性軸設(shè)計(jì)，需對(duì)插入深度較長(zhǎng)的軸增加輔助支撐以使軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中保證其剛性。冷氨泵泵軸分為三段，對(duì)應(yīng)三段流體動(dòng)力潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承（軸襯）提供徑向支撐，其材質(zhì)為滲硅石墨，是由碳、石墨基體材料經(jīng)硅化處理形成的，具有摩擦系數(shù)小、自潤(rùn)滑性能好、硬度高、耐磨蝕等優(yōu)點(diǎn)。石墨為層狀晶體結(jié)構(gòu)，石墨晶體表面由解理面和棱面構(gòu)成，解理面是一個(gè)低粘附力的低能量表面，石墨與金屬摩擦的過程中，石墨晶體發(fā)生層間解理，分離出的碎斷石墨鱗片容易粘附在對(duì)磨（互相磨損）的金屬表面而形成薄層轉(zhuǎn)移膜，當(dāng)轉(zhuǎn)移膜完全形成后，石墨與金屬之間的對(duì)磨過程就變成了石墨與石墨之間的摩擦，摩擦因數(shù)顯著降低，其磨損速度也逐漸降至恒定值。

3.3.2 軸承（軸襯）異常磨損分析及結(jié)論

經(jīng)分析確認(rèn)，由于冷氨泵主軸分為三段，每段由接軸套筒固定，最終形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)主軸，而保證三段軸同心度的除了泵軸自身的彎曲度，還有接軸套筒連接兩段軸的精度，如果其連接精度不好，就會(huì)造成三段軸在接合處形成夾角；冷氨泵運(yùn)行過程中，由于石墨軸襯間隙較小，就會(huì)不斷地受到擠壓力和復(fù)合機(jī)械力的作用，造成軸襯的磨損，間隙增大以后，轉(zhuǎn)子運(yùn)行中的振動(dòng)隨之增大，間隙不斷增大直至軸襯的直徑間隙接近葉輪口環(huán)動(dòng)態(tài)最小間隙而造成口環(huán)的碰磨，其直觀的現(xiàn)象就是冷氨泵電機(jī)電流增大，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，接下來很有可能會(huì)造成泵體口環(huán)抱死，帶來不可逆的設(shè)備損傷。

綜上，通過對(duì)可能原因的分析與排查，最終確認(rèn)本次故障的根本原因是冷氨泵B多段組合軸結(jié)合后同心度不良致主軸直線度無法保障，導(dǎo)致泵軸運(yùn)行中對(duì)石墨軸襯產(chǎn)生擠壓磨損，而解決問題的根本辦法是提高三段軸結(jié)合的同心度。

4 故障處理

檢修過程中，對(duì)冷氨泵B所有部件配合間隙及尺寸進(jìn)行確認(rèn)（符合設(shè)計(jì)要求），更換新的石墨軸襯及超差的葉輪口環(huán)，確認(rèn)三段軸的彎曲度符合要求。其中，檢修中最關(guān)鍵的一點(diǎn)是需對(duì)三段軸的安裝方式進(jìn)行優(yōu)化：接軸套筒與軸端安裝位置的間隙（測(cè)量值）只有0～0.01mm，以往都是選擇熱拆裝，即采用乙炔火焰加熱接軸套筒使其膨脹，配合間隙增大后再安裝，但由于乙炔火焰加熱溫度無法精準(zhǔn)控制，且局部溫度不同（存在溫差），易導(dǎo)致接軸套筒各部位熱膨脹變形量不一致，即安裝后的三段軸軸向會(huì)形成一定的夾角，無法保證其同心度；經(jīng)分析與論證，本次檢修最終選用機(jī)械敲擊法安裝接軸套筒，即采用較長(zhǎng)的專用套管直接將力作用在接軸套筒上，且在端面上均勻用力，利用接軸套筒的彈性變形將接軸套筒安裝到位。

5 結(jié)束語

針對(duì)冷氨泵B（立式多級(jí)筒袋泵）電機(jī)電流增大問題，初步分析發(fā)現(xiàn)其電機(jī)電流增大、口環(huán)剮蹭只是表象，深入分析后，精準(zhǔn)地找到了問題的癥結(jié)所在——冷氨泵B多段軸結(jié)合后主軸的同心度不良。之后，通過檢修及安裝方式的優(yōu)化，冷氨泵B三段軸的軸向同心度得到保證，接合后主軸的直線度滿足了要求。2020年4月14日冷氨泵B檢修結(jié)束后，試泵及運(yùn)行正常，近6個(gè)月以來其運(yùn)行狀況良好，再未出現(xiàn)電機(jī)電流增大的現(xiàn)象。