多級離心泵故障分析及處理措施

摘要：導致大型機泵產(chǎn)生振動(dòng)的因素有很多，而振動(dòng)是評價(jià)大型機泵能否安全可靠性運行的重要指標。本文針對某型號的大型多級離心泵在運行期間出現振動(dòng)超標、機械密封泄漏等問(wèn)題進(jìn)行分析，并結合現場(chǎng)實(shí)際工況，找出導致泵振動(dòng)的原因有現場(chǎng)操作不當和泵進(jìn)口過(guò)濾器設計選型不當，介質(zhì)內部分漂珠以及硬質(zhì)顆粒導致泵轉子內部摩擦副部件過(guò)度磨損，最終導致泵轉子振動(dòng)和機械密封泄漏。通過(guò)對泵入口過(guò)濾器進(jìn)行重新選型和改造，對機械密封進(jìn)行重新設計，對泵轉子摩擦副材質(zhì)進(jìn)行重新選材和更換，對泵轉子支撐摩擦副進(jìn)行技改和對水質(zhì)系統的改善，有效地解決了泵的振動(dòng)故障問(wèn)題，保障了化工系統的連續穩定運行。

關(guān)鍵詞：機泵；振動(dòng)；措施

1. 多級離心泵故障情況介紹

高溫熱水泵為臥式雙支撐水平剖分多級離心泵(型號：SCSK300-85×9)，功率900kW，揚程880m，入口壓力0.9MPa，出口壓力8.5MPa，介質(zhì)為170°C固含量為0.5%~1%的灰水，泵葉輪采用背靠背自平衡流體方式布置。

6臺高溫熱水泵在投運初期狀況良好，但運行3個(gè)月后泵相繼出現轉子振動(dòng)值逐步上漲、兩端機械密封頻繁泄漏、止推軸承溫度上漲等問(wèn)題。根據現場(chǎng)檢修統計，3個(gè)月內6臺泵轉子振動(dòng)值從最初的2.0mm/s以下逐步上漲至超過(guò)21mm/s，非驅動(dòng)側止推軸承溫度從最初的40°C逐步上漲至90°C，在后續1個(gè)月期間兩側機械密封相繼出現8次泄漏故障。

2. 泵故障原因分析

2.1 泵入口過(guò)濾器設計缺陷

為了有效隔離管道系統中的顆粒，泵入口設計了T型過(guò)濾器(型號：SRT-1-350/2.0)，濾網(wǎng)為30目不銹鋼絲網(wǎng)。泵的轉子摩擦副口環(huán)間隙為0.42~0.5mm，同時(shí)泵的安裝手冊要求泵的入口過(guò)濾器有效過(guò)濾面積為入口管道的2.5~3倍[1]。為了防止顆粒物進(jìn)入系統磨損轉子摩擦副，要求濾網(wǎng)過(guò)濾顆粒直徑不大于摩擦副間隙即0.42mm，根據SH/T3411—2017《石油化工泵用過(guò)濾器選用、驗收規范》[2]內不銹鋼絲網(wǎng)參數表(見(jiàn)表1)數查閱，對應的絲網(wǎng)目數應該為40，但設計時(shí)為了避免濾網(wǎng)頻繁堵塞導致泵抽空，選擇了30目濾網(wǎng)。

由表1查得DN350正折流T型過(guò)濾器有效面積30目濾網(wǎng)對應有效過(guò)濾面積為0.3253m2。而DN350管道的總截面過(guò)流面積為：S=πR2=3.14×(0.35/2)2=0.0962m2，則過(guò)濾器有效過(guò)濾面積與入口管道過(guò)流截面積比值為：i=0.3253/0.0962=3.36。

2.2 泵摩擦副選材硬度不足

為滿(mǎn)足耐腐蝕性能和便于機械加工制造，該泵的泵體密封環(huán)和葉輪密封環(huán)采用3Cr13配合1Cr13MoS的摩擦副材料。從材料分類(lèi)二者屬于馬氏體不銹鋼，該鋼機械加工性能好，經(jīng)熱處理(表面淬火)后，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

泵在運行期間，灰水介質(zhì)內高速流動(dòng)的漂珠硬質(zhì)顆粒導致泵轉子摩擦副快速磨損，轉子口環(huán)摩擦副實(shí)際運行工況嚴重偏離了設計指標[3]。3Cr13配合1Cr13MoS的摩擦副材料不耐磨的缺陷充分暴露，導致轉子摩擦副迅速磨損，間隙增大。而在轉子中部的節流襯套由于處于壓差最大的位置，摩擦副內部顆粒流速最高，所以磨損更為明顯，在失去中間節流襯套的支撐固定后，轉子出現大幅度振動(dòng)。

2.3 泵機械密封設計存在缺陷

該泵密封冷卻系統采用了API682標準中Plan32的沖洗方案，采用外供1.5MPa冷卻水沖洗方式對機械密封進(jìn)行沖洗、冷卻和潤滑。

泵選配國內某廠(chǎng)家單端面機械密封，沖洗液進(jìn)入密封腔的方式采用單孔徑向沖洗的方式。根據速度公式：v=ω×r，泵機械密封邊緣線(xiàn)速度為171m/s，在高線(xiàn)速度下部分密封沖洗液由于離心力作用，密封液無(wú)法充分進(jìn)入密封端面進(jìn)行冷卻和沖洗，同時(shí)由于密封冷卻水從一點(diǎn)處對摩擦副進(jìn)行沖洗，導致摩擦副離沖洗水孔進(jìn)入處的遠端無(wú)法得到充分的冷卻和潤滑，摩擦副密封環(huán)由于高溫而碎裂。

由于泵在運行初期入口濾網(wǎng)拆卸，介質(zhì)內的顆粒導致泵轉子各級摩擦磨損嚴重，泵軸端節流襯套節流效果不佳，導致平衡管來(lái)不及泄壓平衡，機械密封腔內失去平衡，密封腔內壓力隨著(zhù)軸端節流襯套的磨損壓力逐步升高，最終導致1.5MPa的密封水無(wú)法順利進(jìn)入。機械密封腔內介質(zhì)反竄污染密封腔，機械密封摩擦副得不到良好的潤滑，長(cháng)期在帶硬顆粒的介質(zhì)內運行后端面磨損嚴重，最終頻繁出現泄漏情況[4]。

2.4 灰水水質(zhì)問(wèn)題

由于系統運行期間氣化煤種的參配，導致灰水系統出現大量漂珠。漂珠的主要化學(xué)成分是二氧化硅、三氧化二鋁和二氧化二鐵，其次是氧化鈣、氧化鎂等，漂珠硬度大，剛性強，當泵入口過(guò)濾器拆卸后，大量漂珠進(jìn)入對泵的口環(huán)以及摩擦副過(guò)流部件磨損極大，最終導致泵摩擦副失去對轉子的支撐作用而振動(dòng)加大。

總結以上問(wèn)題，首先是氣化系統更換煤種，導致灰水系統中產(chǎn)生大量硬質(zhì)顆粒的漂珠，隨后高溫熱水泵入口濾網(wǎng)由于設計過(guò)流面積太小，在實(shí)際運行中由于垢片堵塞而拆卸。泵入口濾網(wǎng)拆卸后介質(zhì)內大量硬質(zhì)漂珠顆粒進(jìn)入泵體內，導致泵密封環(huán)及節流襯套等摩擦副間隙磨損迅速增大。摩擦副間隙增大后，泵軸失去有效的中間支撐而發(fā)生彎曲，泵軸彎曲后更加加劇密封環(huán)、軸套的磨損，使泵體振動(dòng)加大，軸向推力也增大，止推軸承超溫。同時(shí)軸端節流襯套磨損后節流效果不好，機械密封腔失去平衡而壓力升高，導致密封沖洗水無(wú)法進(jìn)入，機械密封摩擦副工況惡化頻繁損壞。以上各個(gè)環(huán)節環(huán)環(huán)相扣，最終導致高溫熱水泵存在諸多故障而無(wú)法運行。

3. 故障解決辦法及改進(jìn)措施

3.1 重新設計入口過(guò)濾器

泵原設計的入口正折流式過(guò)濾器無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際運行要求，主要原因是運行初期介質(zhì)實(shí)際運行工況惡劣，過(guò)濾器有效過(guò)濾面積與入口管道通流面積比值冗余量太小(實(shí)際計算比值為3.36)，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工況的需求。

通過(guò)技改，將過(guò)濾器濾芯的長(cháng)度延長(cháng)至原長(cháng)度的兩倍(原長(cháng)800mm)，過(guò)濾器經(jīng)延長(cháng)后過(guò)濾的有效過(guò)濾面積增加一倍(見(jiàn)圖1)。技改后過(guò)濾器的有效過(guò)濾面積達到0.6506m2(原過(guò)濾面積為0.3253m2)，實(shí)際有效過(guò)濾面積和管道的通流面積比值為：i=0.0.6506/0.0962=6.72。是原過(guò)濾器的通流比值的2倍。

3.2 改進(jìn)轉子摩擦副材質(zhì)

針對原轉子摩擦副材質(zhì)不耐磨問(wèn)題，我廠(chǎng)聯(lián)系泵制造廠(chǎng)家進(jìn)行技改，技改的目的是提高摩擦副的表面硬度，提高摩擦副在極端工況下的耐磨性能。經(jīng)與廠(chǎng)家核算后，將原3Cr13配合1Cr13MoS的摩擦副材料替換為0Cr17Ni12Mo2表面堆焊司太立合金(Co50%、Cr30%、W10%)的摩擦副。同3Cr13和1Cr13MoS材質(zhì)相比，司太立合金合金內部的鉻、鈷、鎢元素都有極高的硬度[5]，可以極大地提高口環(huán)的耐磨性以及高溫工況下的硬度，同時(shí)又有更好的抗氧化、抗磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，主要機械性能對比見(jiàn)表2。

單純的司太立合金難于機加工而且由于硬度高易脆裂。采用0Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼作為摩擦副基體，表面堆焊司太立合金，既保證了摩擦副的綜合機械性能，又保證了摩擦副的高硬度耐磨損性能。

3.3 改進(jìn)機械密封沖洗液分布方式

針對原有機械密封存在的問(wèn)題，我廠(chǎng)聯(lián)系密封廠(chǎng)家進(jìn)行針對性的技改。在原機械密封基礎上增加布水環(huán)，將原密封系統的單孔沖洗方式改為多孔環(huán)向沖洗方式。密封沖洗水進(jìn)入密封腔后進(jìn)行二次優(yōu)化分布，沖洗水圍繞摩擦副端面設置環(huán)狀14個(gè)沖洗小孔進(jìn)行沖洗，保證密封摩擦副以最佳的冷卻方式對摩擦副端面進(jìn)行沖洗及降溫，防止摩擦副由于高速運轉密封水無(wú)法及時(shí)進(jìn)入密封端面進(jìn)行冷卻和沖洗。

同時(shí)為了防止密封腔內壓力波動(dòng)時(shí)介質(zhì)反向進(jìn)入密封腔污染摩擦副端面，在機械密封軸套后部增加泵送環(huán)，泵送環(huán)與泵腔體內壁保持微小間隙，起到節流和對灰水介質(zhì)的反向泵送加壓作用，形成第二道隔離屏障，有效防止系統介質(zhì)的反向進(jìn)入而污染密封摩擦副。

3.4 轉子的核心支撐摩擦副進(jìn)行技改

在高溫熱水泵運行期間，由于轉子摩擦副磨損間隙增大，失去對轉子的徑向限制后轉子振動(dòng)加大。在所有的摩擦副中對轉子徑向限制起關(guān)鍵作用的是驅動(dòng)側和中間節流襯套摩擦副，尤其是中間節流襯套摩擦副，因為轉子中間位置是跳動(dòng)和振動(dòng)振幅最大位置。針對該情況，在驅動(dòng)側和中間節流襯套摩擦副處增加干凈的密封沖洗水進(jìn)行沖洗，要求改密封水為干凈密封水，同時(shí)要求其壓力比對應工作壓力點(diǎn)適當高，工作時(shí)密封水正向流向壓力低側進(jìn)入介質(zhì)系統(技改方案見(jiàn)圖2)。

摩擦副技改后，一方面高壓的沖洗水可形成強制正向沖洗通道，阻止漂珠顆粒進(jìn)入摩擦副內對摩擦副造成磨損，另一方面同系統灰水相比較，潔凈的密封沖洗水可起到更好的冷卻和潤滑作用。為確保沖洗密封水起到最好的冷卻潤滑作用，在該兩處節流襯套摩擦副外部也設置布水環(huán)，對應節流套本體增加6個(gè)φ8mm沖洗孔布水進(jìn)入沖洗。經(jīng)計算，中間節流襯套摩擦副位置處密封水要求流量為6.71m3/h，壓力為8.8MPa；驅動(dòng)側節流襯套摩擦副位置處密封水流量為6.74m3/h，壓力為5.6MPa。

3.5 增加灰水漂珠收集系統

針對灰水系統內產(chǎn)生的大量漂珠，我廠(chǎng)及時(shí)采取措施，分別在灰水沉降槽頂部增設漂珠攔阻系統(簡(jiǎn)要流程見(jiàn)圖3)。該道攔截為主要攔截，運行期間漂珠漂浮在槽內溢流堰液面擋圈內部，通過(guò)攪拌器攪拌旋轉后從漂珠收集管流出，在低壓灰水泵進(jìn)出口增設大口徑大過(guò)流面積的過(guò)濾器來(lái)攔阻漂珠，多道攔截防止大量漂珠進(jìn)入灰水系統而磨損該泵的口環(huán)等過(guò)流部件。實(shí)踐證明該漂珠攔阻系統效果明顯，有效攔阻了灰水系統內的絕大部分漂珠，剩余的部分漂珠被該泵改進(jìn)后的過(guò)濾器再次攔阻，從而高效地保證了該泵的介質(zhì)潔凈程度，避免了該泵過(guò)流部件的磨損損壞[6-7]。

4. 結束語(yǔ)

導致多級離心泵振動(dòng)等的因素很多，包括工藝條件和系統配置是否與泵及密封系統的設計相適。買(mǎi)方與泵供貨方對操作條件的充分溝通，在工藝和系統設計上采取必要的措施來(lái)滿(mǎn)足和改善泵的操作條件，在實(shí)際操作中應加強對泵操作條件的檢查，防止嚴重偏離預期工況運行，使泵組工況惡化，導致各種故障的發(fā)生。

本文通過(guò)分析灰水多級離心泵故障原因，從工藝系統上著(zhù)手改善泵操作工況，從泵本體及密封的選材、結構等著(zhù)手改造泵組，采取針對性的措施，多措并舉，改造后取得了很好的效果。