張小勤,劉紹靜

(1.廣東石油化工學院 機電工程學院， 廣東 茂名 525000；2.華南師范大學 物理與電信工程學院，廣州

510631)

1 概述

P-470A/S循環(huán)乙烷泵是將裂解爐出來的副產品乙烷返回裂解爐再裂解成乙烯的關鍵設備。2臺泵(一開一備)經常發(fā)生擺動大、運轉不穩(wěn)定、由于外部因素導致前軸承磨損嚴重等問題，頻繁停車檢修不僅大大增加維護成本，且影響乙烷的回收，造成巨大的經濟損失，因此，有必要分析其磨損故障的根本原因，采取有效措施，確保正常生產。

循環(huán)乙烷泵為低溫立式單級單吸蔽泵(圖1)，型號VR215-5SH-2SZJSP，工作溫度-41 ℃，揚程42.6 m，流量22 m3/h，轉速2 950 r/min，效率48%，介質為乙烷，介質密度0.474×103kg/m3。葉輪直徑φ198 mm×φ86 mm×φ42 mm，葉輪背面對稱開6個φ4 mm的平衡孔(圖2)以平衡軸向力。其軸承采用圓柱型滑動軸承，材質為石墨。

1—軸套；2—軸；3—前軸承座；4—軸承；5—后軸承座；6—葉輪；7—殼體

圖2 平衡孔示意圖

2 故障分析

利用軸位移監(jiān)測儀監(jiān)測P-470A/S泵的軸位移變化情況，結果見表1。由表可知，泵運行9天內，軸位移越來越大，第9天時軸位移已超過了允許值(3.5 mm)。

表1 泵的軸位移變化情況

軸位移超過允許值后解體檢修發(fā)現(xiàn),后止推瓦無磨損，前止推瓦磨損嚴重，并出現(xiàn)脫落和裂紋。

3 故障原因分析

通過對泵的運行觀察分析及參考有關資料可知，造成前止推瓦磨損的原因主要有：1)泵吸入不良；2)軸承潤滑不良；3)軸承振動；4)軸向力過大。

3.1 泵吸入不良

如果介質中偶爾帶水，泵吸入不良時會出現(xiàn)抽空，造成轉子竄動[1]。根據(jù)觀察，泵出口壓力、流量等參數(shù)正常，泵未出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，因此，泵吸入不良不是主要故障原因。

3.2 軸承潤滑不良

前后軸承均由自身介質潤滑、冷卻，如果潤滑油性能差，在電動機啟動和停轉的短時間內，由于潤滑油供油滯后,高速運轉下產生干摩擦,止推軸承易出現(xiàn)燒結現(xiàn)象[2]。通過對泵解體檢查和潤滑液過濾分析，確定潤滑液無雜質，因此軸承潤滑不良不是主要故障原因。

3.3 軸承振動

軸承振動測量結果見表2。

由表2可知，振動范圍均在允許值(不大于0.71 mm/s)之內；雖然振動值有上升趨勢，但在因軸位移超過允許值檢修之前，振動一直未超標，且檢修前發(fā)現(xiàn)前止推瓦磨損嚴重，后止推瓦無磨損，因此可判斷是止推瓦磨損引起了振動值上升，軸承振動不是主要故障原因。

3.4 軸向力過大

泵在啟動或停車時會產生較大的軸向力。另外，泵在運轉時，因葉輪前后蓋板所受壓力不平衡而產生的軸向力也通過轉子組件作用于推力軸承上[3-4]。

軸向力要靠葉輪平衡孔調整，葉輪制造或使用不當均會使軸向力過大，甚至超出軸承的允許范圍。這種情況下，軸承止推瓦極容易產生異常磨損[5]。

3.4.1 泵的軸向力

泵在運轉時，作用在泵轉子上的軸向力Fa為[6-7]

Fa=Fa1+Fa2+Fa3，

(1)

式中：Fa1為葉輪前、后置板不對稱產生的軸向力，指向葉輪吸入口方向；Fa2為動反力，指向葉輪后面；Fa3為轉子質量引起的軸向力。

1)葉輪前、后置板不對稱產生的軸向力Fa1

葉輪前、后置板不對稱產生的軸向力分布如圖3所示。圖中：Hp為勢揚程；Rm為葉輪口環(huán)半徑，Rm=43 mm；R2為葉輪外圓半徑，R2=99 mm；Rh為葉輪輪轂半徑，Rh=21 mm；Rn為密封環(huán)半徑，Rn=90 mm；RB為平衡分布圓半徑，RB=28 mm。

圖3 葉輪前、后置板不對稱產生的軸向力分布

葉輪前、后置板不對稱產生的軸向力為

，(2)

以上結果是基于泵腔內沒有徑向流的假設計算出來的，但實際上密封環(huán)處有間隙，存在泄漏，會產生徑向液流，使泵內液體的旋轉運動有所改變。由于前蓋板泵腔內密封環(huán)處的泄漏液流使前蓋板上的壓力減小，因此，實際的軸向力比理論計算偏大[8]。

根據(jù)對泵平衡力的測定，實際軸向力一般為計算軸向力的1.8～2.2倍，按1.8倍計算時Fa1實=986 N。

2)動反力Fa2

動反力與泵的理論流量成正比，由于泵的流量較小，因此Fa2可忽略不計。

3)轉子質量引起的軸向力Fa3

由轉子質量可得Fa3=300 N。

綜上可得作用于泵轉子上的總軸向力Fa=1 286 N。

3.4.2 泵的平衡能力

1)平衡孔平衡掉的軸向力Fa平

平衡孔平衡掉的軸向力分布如圖4所示。

圖4 平衡孔平衡掉的軸向力分布

由圖4可得

(3)

則有

(4)

Sn=Dnπb，

式中：q為泄漏量；h1，h2，h3，h4分別為葉輪壓降、密封環(huán)壓降、密封間隙壓降、平衡孔壓降；ξn為密封間隙阻力系數(shù)，ξn=2.2；ξB為平衡孔阻力系數(shù)，通常取ξB=2；uB為平衡孔外圓圓周速度；Z為平衡孔個數(shù)；SB為平衡孔總面積；Sn為密封間隙過流面積；dB為平衡孔孔徑；Dn為密封環(huán)直徑；b為密封間隙，b=0.28 mm；λ為摩擦阻力系數(shù)， 一般λ=0.04～0.06 ，取λ=0.05；L為密封間隙長度，L=8 mm。

平衡孔平衡掉的軸向力為

(5)

代入數(shù)據(jù)可得Fa平=585.9 N。

2)止推瓦承受的壓力F止

F止=Fa-Fa平=700.1 N。

3)止推瓦承受的應力P止

P止=F止/S止，

(6)

式中:S止為止推瓦受力面積；de為止推瓦外徑，de=0.075 mm；di為止推瓦內徑，di=0.042 1 mm。將數(shù)據(jù)代入(6)式可得P止=0.23 MPa。

4)止推瓦平均速度V止

V止=πdmn/60,

(7)

dm=(de+di)/2，

式中：dm為止推瓦平均直徑。代入數(shù)據(jù)可得V止=9.04 m/s。

根據(jù)《機械零部件通用設計手冊》，有液態(tài)烴潤滑的石墨材質 [PV]≤1.5 MPa·m·s-1。P止V止=2.08 MPa·m·s-1>[PV]，即止推瓦上的壓力超過了其承受能力，破壞了潤滑油膜，使止推瓦與止推盤的接觸表面產生磨擦，造成止推瓦嚴重磨損[9]。因此，軸向力過大是主要故障原因。

4 軸向力的平衡措施

通過以上分析可知，平衡孔軸向力的平衡能力與葉輪外徑、密封環(huán)直徑、密封間隙、平衡孔孔徑、平衡孔數(shù)量等因素有關，經試驗分析及反復測算，通過增加平衡孔孔徑來消除軸向力的效果最佳，將平衡孔孔徑增加到φ5 mm，分布圖如圖5所示。

圖5 改造后平衡孔分布圖

增大平衡孔孔徑后P止V止=0.52 MPa·m·s-1<[PV]，其平衡軸向力的能力大大提高，作用在止推瓦上的壓力減小[11]。

5 結束語

通過力學分析，確定軸向力過大是造成循環(huán)乙烷泵止推瓦磨損的原因，增加平衡孔孔徑后經運行證明，止推軸承壽命超過10個月，泵的應力、流量平穩(wěn)，運轉周期明顯提高，從根本上解決了故障問題，保證了生產的正常運行，大大節(jié)約了維修費用。