DG型臥式多級離心泵的故障分析與處理

張金瑋，王志鵬，劉建峰，詹培德

（1.蘭州石化公司機電儀運維中心，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司，甘肅 蘭州 730060）

1 設備概述

設備是蘭州石化公司煉油廠的臥式多級離心泵，型號為DGIW100-60B*5，驅動方式為電機-疊片式聯(lián)軸器-泵，由葉輪、平衡盤等組成。設備中介質(zhì)為油、溶劑，介質(zhì)溫度：15 ℃～25 ℃，流量：100 m3/h，入出口壓力：0.04/2.8 MPa，功率：110 kW，轉速：2 950 r/min，揚程：60 m。

2 設備故障描述

某年離心泵設備大檢修結束后，設備進行開車運行，運行一段時間后，該設備后軸承溫度高達88 ℃，遠超過設備正常運行時的溫度范圍，設備不能正常運行，裝置人員安排停工檢修，經(jīng)檢修人員拆檢時發(fā)現(xiàn)設備的軸承滾動體發(fā)黑，保持架已磨損，平衡盤與平衡座已嚴重磨損。

3 設備故障的原因分析

初步判定設備是在檢修人員檢修過程中，轉子定位或軸承間隙調(diào)整不規(guī)范所致，也可能是由于轉子軸向力未被完全平衡，軸承受力過大導致。因此有必要對設備進行軸向力的平衡驗證，重新檢驗設備各部間隙，檢測部件定位是否準確，查找分析故障產(chǎn)生的原因，進行了以下原因分析和驗證。

3.1 轉子軸向力的平衡驗證

平衡盤是靠流經(jīng)間隙的液體產(chǎn)生平衡力來實現(xiàn)轉子的動態(tài)平衡。介質(zhì)經(jīng)過平衡盤與平衡座的徑向間隙流入平衡盤前的空腔中，此時空腔處于高壓狀態(tài)，平衡盤后有與泵入口相連的平衡管，其壓力近似為入口壓力0.04 MPa，因而產(chǎn)生了軸向推力，即平衡力。平衡力與軸向力受力方向相反。

計算此設備的總軸向力所需計算參數(shù)：D首級葉輪首級口環(huán)=139 mm，D末級葉輪口環(huán)=123 mm，D主軸=60 mm，D平衡盤=155 mm，D平衡盤頸=88 mm，D定位套=70 mm。

F1為泵入口壓力對轉子產(chǎn)生的軸向力；F2為泵出口壓力對轉子產(chǎn)生的軸向力。

平衡盤能夠承受的軸向力：

通過驗證，在此設備中，平衡盤能夠平衡轉子產(chǎn)生的所有軸向力。

3.2 抽空原因分析

抽空和工藝波動是平衡盤與平衡座發(fā)生磨損的原因之一。當泵抽空時，泵入口壓力較低，平衡腔內(nèi)介質(zhì)易汽化，液體摩擦轉變?yōu)楦赡Σ?，平衡盤磨損越大，轉子位移越大，當軸承貼合至軸承箱端面時逐漸承受軸向力，軸向力增大，易造成軸承發(fā)熱、損壞。當泵穩(wěn)定運轉時，平衡盤可以平衡所有軸向力，軸承基本不承受軸向力，但間隙調(diào)整不當時，會導致軸承承受軸向力過大而發(fā)熱。泵啟停的頻率越高，抽空現(xiàn)象發(fā)生頻率越高，振動幅度和次數(shù)增加，間接增加平衡盤與平衡座撞擊和產(chǎn)生干摩擦可能性。為減少磨損應盡量降低多級泵的啟停機頻率。

3.3 平衡管堵塞驗證

平衡管在平衡軸向力時起到重要作用。設備出口指向入口軸向力較大時，整個轉子會向入口端有移動的趨勢，平衡盤和平衡座間隙減小，設備出口部分介質(zhì)經(jīng)平衡管流至泵入口。平衡管長時間使用后，平衡管內(nèi)部會產(chǎn)生結垢、銹蝕。但經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)平衡管內(nèi)的結垢和銹蝕很少，不足以影響設備正常運行。若平衡管被堵塞，當平衡盤背壓逐漸增大至1.7 MPa時，平衡盤將失效。

3.4 裝配原因分析

（1）設備安裝時，首先進行轉子定位，若定位不當會使平衡座、平衡盤以及軸承安裝不當，導致各級葉輪與導流板流道不對中，效率降低，使軸承在軸承箱內(nèi)安裝位置偏移。

（2）當轉子竄動時，軸承隨之竄動，若軸承在軸承箱內(nèi)定位不當，易造成軸承損壞，檢修時測量軸承在軸承箱內(nèi)與前后軸承端蓋的距離分別為0.3 mm、0.5 mm，平衡盤竄動時，軸承在軸承箱內(nèi)竄動，當平衡盤背壓增大，平衡盤向出口端竄動，當竄動量超過0.3 mm時，軸承開始承受軸向力（3309軸承軸向間隙最大為0.6 mm），當平衡盤與平衡座磨損超過0.9 mm，軸承超過了最大游隙，軸承損壞。

（3）配件加工、裝配等方面存在動、靜盤平行度不夠。正常運轉時，平衡盤與平衡座的間隙基本恒定。泵在啟停時易發(fā)生抽空現(xiàn)象，轉子帶動平衡盤向泵入口方向竄動，平衡盤與平衡座易發(fā)生干摩擦，若平衡盤與平衡座平行度不夠，面接觸將改變?yōu)辄c接觸，受力面積減小，磨損程度將會增大。

3.5 平衡盤與平衡座的材質(zhì)分析

平衡盤與平衡座材質(zhì)的選擇對其磨損和粘結很重要，兩者材料硬度相近易粘死和磨損（檢修前平衡盤、平衡座材質(zhì)分別為2Cr13、1Cr13）。為減少平衡盤與平衡座的磨損，必須對其材質(zhì)的選擇與熱處理嚴格要求，以保證工作表面有足夠硬度。

綜上所述，轉子定位不當、軸承定位不當及平衡盤與平衡座的材質(zhì)選擇不當是DG型臥式多級離心泵平衡盤與平衡座磨損的主要原因。

4 處理措施

依據(jù)轉子定位不當、軸承定位不當及平衡盤與平衡座的材質(zhì)選擇不當?shù)戎饕蚍治?，檢修采取以下處理措施。

4.1 更換平衡盤與平衡座的材質(zhì)

依據(jù)平衡盤與平衡座材質(zhì)兩者材料硬度相近易粘死和磨損的情況，選用不同的材料對平衡盤的抗腐蝕、抗沖擊以及耐磨性能都有很大程度的影響。通常情況下，依照國家標準，平衡盤的材質(zhì)有鑄鐵、合金以及鉻鋼三種。這三種材質(zhì)的性能相差很大，其中鑄鐵的耐磨性能最差，合金的耐磨性能最好[1]。

將平衡座材質(zhì)改用磷青銅，平衡盤材質(zhì)采用2Cr13并整體硬化處理，增加平衡盤的硬度，以防止粘死，減少磨損。

4.2 轉子重新定位

當設備安裝時，先不安裝平衡盤，在平衡盤處安裝一軸套并用鎖緊螺母將其和各級轉子鎖緊為一個剛體，先將轉子推向吸入方向，使得葉輪和泵體兩者的密封環(huán)靠近，測出軸肩到泵體某一平面的距離a1，然后將轉子拉向排出側，使得葉輪后蓋靠近導葉，測量此時的距離為a2，a2-a1即為泵的總竄量。在多級離心泵運行中，當導葉中心與葉輪中心正好對準時，泵的水力損失最小，效率最高[2]。

眾所周知，當泵運轉時，存在一定的軸向竄動，軸向竄動應在允許范圍內(nèi)，應保證電機和水泵兩聯(lián)軸器端面間的間隙值[3]，平衡盤會在一個平衡位置左右移動?？紤]到泵正常運行的最小間隙，將平衡盤軸向竄量確定為（b1+b2）/2+0.15 mm，即（a2-a1）/2+0.15 mm。其中b1為葉輪前蓋板距泵體的軸向距離，b2為葉輪后蓋板距導葉的軸向距離，如圖1所示。因此可保證泵在運轉過程中，葉輪中心與導葉中心一致，減少平衡盤磨損。

圖1 葉輪前蓋板距泵體的軸向距離b1與葉輪后蓋板距導葉的軸向距離b2的含義示意圖

多級離心泵平衡盤間隙調(diào)整是至關重要的一步，由于運行中平衡盤磨損嚴重，檢修時對動靜盤均進行了更換，使徑向間隙符合要求，可以更好地平衡軸向力[4]，對半竄量進行測量調(diào)整，直至符合標準為止。當b2＞b1時，將平衡盤的軸套部位車削去相應數(shù)值；b2＜b1時，在平衡盤軸套處增加相應的調(diào)整墊片，最后使間隙達到最佳運行位置。為保證葉輪中心與導葉中心線一致，檢修必須確保b1=b2，即葉輪前蓋板距泵體的軸向距離等于葉輪后蓋板距導葉的軸向距離，通過以上轉子軸向間隙的調(diào)整，保證轉子在最佳位置平穩(wěn)運行。

4.3 更換軸承并調(diào)整間隙

經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)設備的軸承滾動體已發(fā)黑、保持架已磨損。更換3309軸承一套，該軸承屬于雙列角接觸球軸承，平衡盤竄動過大或磨損過大時，承受軸向力，用來控制轉子的竄動極限，保護機械密封。

更換NU2211兩套，該軸承屬于單列圓柱滾子軸承，主要承受設備運轉時產(chǎn)生的徑向力。

維修多級離心泵時，泵轉子與整體泵體之間的相對尺寸會發(fā)生改變，從而使得軸承內(nèi)、外圈的相對位置也相應地發(fā)生變化。因此，應重新測量轉子葉輪、軸套、葉輪密封環(huán)、平衡盤、軸頸等主要部位的徑向和端面跳動值以及轉子部件與殼體部件之間的徑向總間隙，其允許偏差應符合相應技術文件的規(guī)定[5],以保證軸承的安全運行。

軸承間隙調(diào)整方法：在定好轉子中心以及定好動靜盤位置的前提下，安裝3309軸承，再調(diào)整軸承內(nèi)、外圈的相對位置。測量與軸承箱相連接的泵體接觸面位置到軸（軸套）上安裝軸承軸肩處的垂直距離L1。將軸承安裝到軸承箱內(nèi)，再測量出與泵體相連接軸承箱的接觸面到軸承外圈的垂直距離L2。為保證軸承安全運轉，L1必須等于L2，否則將會燒毀軸承。若L1＞L2，可以在泵體與軸承箱的接觸面加墊片或切削軸套；若L1＜L2，則可以在軸套內(nèi)端加墊片,以保證軸承內(nèi)外圈不能發(fā)生相對位移。同時，考慮到設備運轉時轉子的軸向竄動，調(diào)整3309軸承在軸承箱內(nèi)間隙與前端軸承端蓋距離為0.5 mm，與后端軸承端蓋距離為1 mm，使得轉子帶動軸承能夠自由地軸向竄動。

經(jīng)過對設備軸向力的平衡驗證，平衡盤能夠平衡所有的軸向力。因此，3309軸承僅在平衡盤失效的情況下才承受軸向力，在不承受軸向力的情況下，它的主要作用是將轉子的竄量保證在軸承箱內(nèi)的間隙范圍以內(nèi)，以保護機械密封。

4.4 改進平衡盤與平衡座的裝配方式

平衡盤與平衡座的裝配是檢修中最重要的環(huán)節(jié)，此次改進采取平衡盤與平衡座貼合的方式裝配。一是防止動平衡盤與靜平衡盤平行度不夠，造成由面接觸改變成點接觸，增加磨損的概率；二是保證平衡盤自由移動竄量以及3309軸承在軸承箱內(nèi)前后間隙適量。

4.5 更換殼體口環(huán)尺寸

拆檢后測量殼體口環(huán)發(fā)現(xiàn)直徑尺寸有所增大，檢修時更換殼體口環(huán)。檢修前后的殼體口環(huán)直徑/葉輪口環(huán)直徑見表1。

表1 檢修前后的殼體口環(huán)直徑/葉輪口環(huán)直徑尺寸

5 結束語

通過對設備的改進，使得設備運行處于優(yōu)良狀態(tài)，設備運行中，各項工藝性能指標均達到要求。平衡盤與平衡座磨損的主要原因是轉子定位不當、軸承定位不當及平衡盤與平衡座的材質(zhì)選擇不當導致，因此對其進行調(diào)整間隙尺寸、更換部件，并加強設備使用期間的定期巡檢維護，可取得明顯的效果。