胡述明 （中石油長慶油田分公司對外合作部，陜西 西安710018）

文忠選 （中石油青海油田分公司井下作業(yè)公司，甘肅 敦煌736202）

溫升對泵的影響及對策

胡述明 （中石油長慶油田分公司對外合作部，陜西 西安710018）

文忠選 （中石油青海油田分公司井下作業(yè)公司，甘肅 敦煌736202）

針對泵在運行過程中的發(fā)熱現(xiàn)象，從熱的來源、熱產(chǎn)生的過程及機理、發(fā)熱對泵的影響方面進行了分析，提出了降低泵內(nèi)熱量的建議及改進措施，旨在為泵的設(shè)計、維護保養(yǎng)和操作方面的研究提供參考。

抽油泵；發(fā)熱；機械密封；維護保養(yǎng)

在石油行業(yè)中，泵是輸送原油、水及其他流體必不可少的基礎(chǔ)設(shè)備［1，2］。泵是否能可靠、平穩(wěn)、高效的運行對油田的正常生產(chǎn)影響較大，而泵在運行過程中的發(fā)熱是造成泵效低、故障率高、使用壽命短的主要原因之一。因此，必須對泵在運行過程中發(fā)熱的過程及機理、發(fā)熱對泵的影響進行分析，并提出改進措施，為泵的設(shè)計、操作和維護保養(yǎng)提供一些參考依據(jù)。

1 引起泵溫度升高的原因

引起泵運行時溫度升高的原因很多，如管線、泵、閥門和其他設(shè)備靠近加熱爐附近安裝時，會引起泵、機械密封等部件溫升；泵輸送的介質(zhì)及周圍的環(huán)境溫度變化也能引起泵的升；當(dāng)泵軸不平衡或彎曲后，會引起運動部件與靜止部件之間的摩擦發(fā)熱而引起溫升［3］?，F(xiàn)以密封表面與軸套的摩擦以及泵內(nèi)磨擦產(chǎn)生的熱量為例，介紹其具體計算方法。

1.1 密封端面產(chǎn)生的熱量

為了方便分析，選擇了常用型非平衡式密封泵的典型數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)，對密封表面或密封填料與軸套的摩擦產(chǎn)生的熱量進行定量分析，計算公式如下：

式中，Hm為機械密封表面產(chǎn)生的熱量，J/s；Ff為摩擦力，kgf；V為泵軸的線速度，m/min；g為重力加速度，9.8m/s2；N 為密封施加于泵軸上的力，kgf；f為摩擦系數(shù)；P 為填料盒壓力，kgf/cm2；Af為密封端面面積，cm2；Ps為彈簧施加于密封端面的壓力，kgf；D為密封端面直徑，cm；n為泵轉(zhuǎn)速，r/min。

某密封填料盒壓力為10kg/cm2，密封端面直徑為50mm，密封端面面積為6.5cm2，密封彈簧載荷為2.0kg/cm2，彈簧施加于密封端面載荷為13kg，泵轉(zhuǎn)速為2900r/min，填料盒容積 （水）為500cm3，密封端面摩擦系數(shù)為 （平均）0.2。計算出機械密封表面產(chǎn)生的熱量為677J/s，9.7kcal/min，即1min產(chǎn)生9.7kcal的熱量會使9.7L水的溫度提高1℃。

由于填料盒的容量只有0.5L （500cm3），為了防止填料涵溫升，必須使用9.7×2＝19.4L/min的水對填料慮進行沖洗，才能保證溫度不會升高。

產(chǎn)生熱量的大小與是否采用平衡式機械密封關(guān)系不大，而與泵使用的密封填料有關(guān)。一般而言，填料式密封產(chǎn)生的熱量是平衡式機械密封產(chǎn)生的熱量的6倍。

1.2 泵內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量

在實際應(yīng)用中，沒有一臺泵的泵效會達(dá)到100%，如果一臺泵的泵效為60%，那就意味著有40%的能量轉(zhuǎn)換成了熱量。如果泵在正常溫度下穩(wěn)定地運行在最佳效率點，泵內(nèi)溫升計算公式見文獻 ［4］。

如果溫升超過泵的正常運轉(zhuǎn)溫度10℃，則被看作是超溫。如果泵設(shè)置了超溫保護，泵就會自動停止運轉(zhuǎn)，或者出口排量被限制。

2 溫升對泵的影響

1）增加介質(zhì)的腐蝕性 通常，溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速度會增加1倍。腐蝕就是一種化學(xué)反應(yīng)，因此，腐蝕會隨著溫度的升高而增加。對于輸送腐蝕性液體的泵必須考慮使用抗腐蝕密封材料。

2）改變部件間的配合精度 泵的精密配合包括：抗磨環(huán)間隙、密封面載荷、節(jié)流/熱襯套、軸承與軸的過盈配合、葉輪/殼體的間隙、泵/電機的對中等。通常情況下，對不銹鋼而言，溫度每升高100℃，每毫米長度增加0.001mm。

開式葉輪與泵殼體或后蓋之間設(shè)定了特定間隙，通常為0.5mm，它們之間的間隙增加0.05mm，泵的效率就會降低1%；在閉式葉輪中，抗磨環(huán)的間隙增加0.03mm，泵的效率就會降低1%。

不同材料的膨脹率和膨脹方向不同。例如，鋼的膨脹率大約為不銹鋼的60%～70%，大多數(shù)機械密封端面的膨脹率為不銹鋼的1/3，所以應(yīng)記住這個數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)在制定配合間隙時非常有用。另外還要說明的一點是泵在連續(xù)運行時要比間歇運行時機械密封和軸承的溫升小。

3）機械密封損壞 目前流行的有些碳/石墨密封端面或有些便宜的陶瓷端面密封會因過熱而出現(xiàn)粘接或損壞，因此，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中不建議采用碳/石墨機械密封。有些設(shè)計中采用了溫升很小的光滑表面機械密封，但這種機封僅限于低溫下應(yīng)用，加工時必須在低溫下進行拋光，以防止在加工時變形。

4）大幅度降低彈性元件 （橡膠件）的壽命 熱會使彈性元件擠壓變硬，如果足夠的熱量施加于彈性元件，就會使彈性元件變得很硬而破裂。所以所有的彈性元件都對操作溫度有嚴(yán)格的限制。

5）介質(zhì)變成固體或氣體 對于泵來說，最容易輸送的介質(zhì)是常溫、干凈、帶潤滑作用的液體。水加熱會變成蒸汽；膠、漆和高分子等物體加熱會變硬；油加熱會變粘，腐蝕性增加。溫度變化會使液體蒸發(fā)、結(jié)晶、凝固、碳化，在表面形成薄膜等現(xiàn)象。泵可以輸送液體，但輸送蒸汽和固體時就會有問題。液體的蒸發(fā)，會導(dǎo)致機械密封表面的潤滑油凍結(jié)，撕裂石墨或硬質(zhì)密封表面。

6）增加管線應(yīng)力 管線應(yīng)力會造成泵軸的偏心、摩擦增大，使密封和軸承過早的損壞；管線應(yīng)力會使泵與驅(qū)動設(shè)備之間對準(zhǔn)發(fā)生偏離，甚至?xí)斐杀没蝌?qū)動設(shè)備的損壞。

7）發(fā)生汽蝕現(xiàn)象 溫度升高時，容易在泵中產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。氣泡和氣泡破裂使過流部件遭受到破壞的過程就是泵中的汽蝕過程。泵產(chǎn)生汽蝕后除了對過流部件會產(chǎn)生破壞作用以外，還會產(chǎn)生噪聲和振動，而導(dǎo)致泵的性能下降，嚴(yán)重時會使泵中液體中斷，不能正常工作。

8）改變軸承潤滑油的粘度 即使最好的潤滑油，當(dāng)它變成膠狀體時，則無法起到潤滑作用，軸承潤滑油在115℃時就開始變粘。正常情況下，軸承的運行溫度應(yīng)該保持在正常油溫以上5℃。潤滑油和潤滑脂在30℃下的使用壽命為30年，在此溫度基礎(chǔ)上，溫度每上升10℃，使用壽命就會下降一半。隨著溫度的上升，軸承潤滑油的粘度會隨之降低，潤滑油的特性發(fā)生變化，在潤滑面形成的一層膠狀膜，會形成焦炭，從而加大了軸承的磨損。

3 減少泵發(fā)熱的措施

3.1 機械密封

隨著分體式機械密封的發(fā)展，20世紀(jì)80年代初所采用的填料式密封幾乎已不再使用。一套機械密封在運行中的發(fā)熱量要比一套好的填料式密封小6倍。按成本計算，所節(jié)省的能量在不到2年時間內(nèi)就可以把購買機械密封的費用補償回來，投資回報可以達(dá)到50%。所以，要盡可能采用機械密封，并且機械密封上應(yīng)使用較大尺寸的填料盒，如果需要特別冷卻，請選用夾套式填料盒，當(dāng)冷卻器夾套因使用普通自來水 （硬水）而結(jié)垢后，會影響散熱效果時，應(yīng)改用純凈水或蒸餾水。另外，確保機械密封靜端面與軸同心，以防止軸因磨損、串動、晃動、失去平衡、振動、彎曲等產(chǎn)生摩擦而生熱。

3.2 泵軸承維護

定期檢查油位，定期更換潤滑油。在更換軸承時應(yīng)該對照軸承選型表，選擇正確型號的軸承，以確保軸承與泵軸配合良好。如果軸承不匹配，會產(chǎn)生過熱。如果泵持續(xù)高溫，應(yīng)增加軸承潤滑油冷卻系統(tǒng)，不要直接冷卻軸承外部、軸承或軸承室，這樣做會引起軸承的收縮，產(chǎn)生更多的熱量。

大多數(shù)軸承的損壞是由于潤滑油過臟或溫度過高所致，錯誤的安裝方法是導(dǎo)致軸承產(chǎn)生的高溫的主要原因，所以在安裝軸承時要格外細(xì)心。更換迷宮式密封或剛性密封時應(yīng)同時更換潤滑脂或軸承唇型密封，這樣才不會在運行中產(chǎn)生不必要的熱量或污染潤滑油，才不會導(dǎo)致密封對軸造成磨損。

3.3 泵的操作環(huán)境

泵的操作環(huán)境包括：①采取措施，隔離大氣高溫傳入介質(zhì)；②搭建遮陽棚并控制泵房中的溫度；隨時觀察旁路管線和回流管線中介質(zhì)進入泵入口的溫度；③臺泵并聯(lián)運行時，其中1臺泵的節(jié)流閥上會產(chǎn)生較高的背壓，從而引起泵的出口受阻，產(chǎn)生熱量，在泵并聯(lián)運行時應(yīng)特別注意；④從泵出口到盤根盒的回流管線不僅會額外的提高介質(zhì)的溫度，而且還會增加盤根中固體顆粒的堆積。如果出現(xiàn)這種情況，最好的辦法就是斷開盤根盒底部到泵入口的連接管線。但是，如果介質(zhì)溫度已經(jīng)接近汽化點，不要斷開此管線；⑤定期檢查抗磨環(huán)或葉輪的間隙，當(dāng)泵的效率降低時，產(chǎn)生的熱量和振動就會增加，應(yīng)及時進行調(diào)整；⑥使用無伸縮柔性聯(lián)軸器，確保泵的對準(zhǔn)；⑦如果管線有應(yīng)力，會引進抗磨環(huán)接觸而發(fā)熱，應(yīng)采取正確方法及時消除應(yīng)力；⑧在輸送新介質(zhì)前，應(yīng)重新計算，選定輸送介質(zhì)的溫度操作范圍，確保介質(zhì)在正常的溫度范圍內(nèi)被輸送。

4 結(jié) 語

由于溫升會增加介質(zhì)的腐蝕性，損壞密封面，液體蒸發(fā)，潤滑油結(jié)焦，液體凝固和結(jié)晶，改變部件之間的配合間隙，破壞彈性元件的性能，造成泵的失中，增加管線的應(yīng)力等弊端，通過改善機械密封或軸承的性能是無法完全解決這些難題的，必須減少泵在運行過程中的發(fā)熱現(xiàn)象，控制泵在運行時的溫升，使泵的運行溫度保持在合理的范圍內(nèi)，從而提高泵的運行效率，達(dá)到延長泵的使用壽命和降低泵的能耗的目的。

［1］費敬根.機械設(shè)備維修工藝學(xué) ［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［2］牟介剛.丙烷泵的設(shè)計與研究 ［J］.水泵技術(shù)，1999，22（1）：9～13.

［3］李必祥，王牛.如何提高泵用機械密封的性能及壽命 ［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1994，17（6）：23～26.

［4］Engr B，Yifan Qiu.Hard ssurface coating experimental evaluation and thermomechanical analysis of a seal with micro heat exchanger［D］.Beijing：University of Science and Technology，1994.

TE933.3

A

1000－9752（2011）06－0369－03

2011－05－10

胡述明 （1961－），男，2002年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事設(shè)備引進工作。

［編輯］ 蘇開科