畢國華 王家支 唐傳安 曲秀萍 路 通

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計研究院有限公司 大連116000）

引 言

船用燃油具有密度大、粘度高、成分復(fù)雜等特點，輸送過程中需要進(jìn)行預(yù)加熱處理，設(shè)計中常選用螺桿泵作為燃油駁運(yùn)泵。文中案例為一臺雙螺桿泵，屬于回轉(zhuǎn)式容積泵，主要由泵體、螺桿、軸承等部件構(gòu)成。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，主、從動螺桿相互嚙合，同泵體或襯套之間形成多個容積一定的封閉腔室，隨螺桿轉(zhuǎn)動這些封閉腔室將沿螺桿軸向平行移動，進(jìn)而使其中的介質(zhì)得以傳送［1］。螺桿泵具備良好的自吸能力，并且在駁運(yùn)流體時，震動噪聲小、液體流動連續(xù)平穩(wěn)無脈動，故被廣泛應(yīng)用于石油化工、船舶和食品等領(lǐng)域。［2-3］

1 故障描述

某船試航過程中，根據(jù)無人機(jī)艙實驗要求，需啟動一臺燃油駁運(yùn)泵進(jìn)行駁油作業(yè)。按照操作要求，在作業(yè)前，先后對駁運(yùn)泵進(jìn)行同軸度校核、吸入濾器清理、泵內(nèi)氣體空氣清除等操作，隨后啟動該泵；運(yùn)轉(zhuǎn)約30 min后，燃油駁運(yùn)泵管路出口出現(xiàn)壓力降低、流量減少的異常現(xiàn)象，經(jīng)逐一排查和拆卸檢驗，發(fā)現(xiàn)由于泵軸套抱死而導(dǎo)致無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

經(jīng)查閱設(shè)備說明書確認(rèn)該泵為立式、雙螺桿、機(jī)械密封型泵，適用于2～1 000 cSt燃油。該泵主要性能參數(shù)見表1。

表1 雙螺桿泵性能參數(shù)

2 故障分析

2.1 故障原因分析

若介質(zhì)中存在的硬性物質(zhì)進(jìn)入泵體內(nèi)，易發(fā)生物質(zhì)的研磨、結(jié)焦等，導(dǎo)致泵軸不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；同時，由于各種原因引起的振動也將會導(dǎo)致摩擦迅速增大，溫度急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致泵軸抱死。

一般情況下，可能引發(fā)螺桿泵工作異常的原因主要包括以下幾點［2-4］：

（1）螺桿泵所輸送的介質(zhì)狀態(tài)超出泵本身工作的要求范圍（如粘度、密度等），當(dāng)粘度過高甚至超出工況規(guī)定時，必將增大流體輸送的阻力，并可能導(dǎo)致汽蝕發(fā)生，引發(fā)泵體的震動和噪聲。

（2）管路和流體液位的布置不滿足螺桿泵的必須汽蝕余量要求，在流體的輸送過程中，泵內(nèi)液體發(fā)生汽蝕，造成振動和噪聲。

（3）泵和電機(jī)組的安裝過程中，泵軸的同軸度不符合安裝要求，在泵軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下產(chǎn)生大幅度振動。

（4）由于管路漏氣、流體斷料及首次運(yùn)轉(zhuǎn)時排氣不足等，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生干摩擦，造成振動和螺桿泵的損害。

（5）濾器的過濾作用失效，導(dǎo)致流體中混入各種雜質(zhì)，在泵體內(nèi)被研磨、結(jié)焦，破壞泵體內(nèi)的潤滑，使螺桿被卡死。

（6）濾器堵塞等原因?qū)е碌牧魍娣e過小，一般情況下濾網(wǎng)流通面積要大于吸管的橫截面積，對于粘度較大的介質(zhì)，濾網(wǎng)流通面積的大小需要進(jìn)一步放大至合適比例。當(dāng)濾網(wǎng)面積過小時，也會引起泵體劇烈震動。

（7）由于管線布置或其他原因，使泵的工作壓力超出“擊穿”壓力，造成泵的工作環(huán)境惡化，容積效率下降，流量減少。

（8）實際工作狀態(tài)不滿足泵的必需汽蝕余量要求，運(yùn)轉(zhuǎn)中泵內(nèi)達(dá)到對應(yīng)汽化壓力，產(chǎn)生的氣泡隨介質(zhì)流動發(fā)生汽蝕潰滅，造成泵內(nèi)高頻沖擊破壞，并引起噪聲和振動，最終導(dǎo)致泵工作異常。

2.2 故障排查

經(jīng)檢查，管路內(nèi)的燃油質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其溫度、粘度等均滿足駁運(yùn)泵的工作要求，因此可排除流體介質(zhì)方面的問題。

通常情況下，螺桿泵在一定的工作壓力范圍內(nèi)，具有可觀的排量效率和相對穩(wěn)定的容積效率，其流量主要由其轉(zhuǎn)速確定，受管路系統(tǒng)壓力的影響較小；但當(dāng)工作壓力超過一定數(shù)值后，容積效率隨壓力增大而急劇降低，隨之流量降低［5］。

為分析整個駁運(yùn)系統(tǒng)布置的合理性，采用AFT軟件對管路特性進(jìn)行仿真分析。其中沿程阻力和節(jié)點間的壓力變化可通過以下方程描述［6-7］：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為管路長度，m；d為管路直徑，m；v為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；P1、P2為前后兩點壓強(qiáng)，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v1、v2為對應(yīng)流速，m/s；h1、h2為兩點所處高度，m。

圖1 駁運(yùn)管路設(shè)計三維模型

圖2 駁運(yùn)管路仿真建模

根據(jù)系統(tǒng)原理圖設(shè)計，結(jié)合泵、管路、油柜及管路中附件等相對位置的實際布置，在AFT Fathom中建立對應(yīng)的仿真模型，其中油柜、彎頭、三通、閥件及異徑接頭等部件的參數(shù)，通過查詢實際設(shè)計確定；對于系統(tǒng)中的濾器，則根據(jù)輪機(jī)設(shè)計手冊的經(jīng)驗值，采用模型中的通用構(gòu)件表達(dá)對系統(tǒng)管路特性的影響。最終以故障發(fā)生時的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)值計算分析，計算得出設(shè)計工況下的管路特性曲線如圖3所示。

圖3 駁運(yùn)系統(tǒng)管路特性曲線

圖4 泵的工作特性曲線

經(jīng)查閱設(shè)備說明書，獲得泵的工作特性曲線。下頁圖4中數(shù)據(jù)顯示，在0～16 bar（0.16 MPa）的壓差范圍內(nèi)，泵均處于“硬特性區(qū)”內(nèi)，隨壓力變化流量保持相對穩(wěn)定。結(jié)合AFT仿真計算的管路特性曲線可知，駁運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計工況完全在泵的正常工作負(fù)荷內(nèi)。

此外，在駁運(yùn)作業(yè)之前，對泵軸進(jìn)行了同軸度校核和充分排氣操作，同時經(jīng)核查，進(jìn)口管路無泄漏，駁運(yùn)過程中油柜始終具備充足的存油，由此可確定故障發(fā)生前后泵體內(nèi)密封良好，無空氣進(jìn)入。隨后對螺桿泵進(jìn)行拆卸檢驗，發(fā)現(xiàn)吸入濾器結(jié)構(gòu)完整、濾網(wǎng)清潔無堵塞現(xiàn)象。

為確認(rèn)濾器流通面積和吸入管路面積的相對比例，查閱對應(yīng)說明書，具體尺寸參數(shù)如圖5所示。

圖5 濾器結(jié)構(gòu)及尺寸

由圖可見：燃油自濾器吸口進(jìn)入，經(jīng)由濾器上壓蓋的間隙流入濾網(wǎng)，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后由出口排出。圖5中濾器上壓蓋的流通面積明顯較小，根據(jù)圖中的尺寸進(jìn)行計算，上壓蓋的流通面積約為0.014 8 m2，而濾器進(jìn)出口法蘭處管徑為DN150，其流通面積約為0.017 8 m2。通常情況下，上壓蓋流通面積應(yīng)為管線的3倍以上，顯然，該濾器上壓蓋流通面積過小，不符合正常工況要求，由此可推測該因素是引起燃油泵故障的主要隱患。

2.3 故障處理

根據(jù)故障排查結(jié)果可知，管路中所選用濾器的內(nèi)部介質(zhì)流通面積小于吸入管線的橫截面積，同時該螺桿泵的駁運(yùn)介質(zhì)為船用燃油，具有密度大、粘度高的特征，這種情況下將很可能造成泵體震動，且隨運(yùn)轉(zhuǎn)時間增加，螺桿泵工作狀態(tài)逐步惡化，進(jìn)而引發(fā)一系列故障。針對故障排查所得結(jié)果，結(jié)合燃油泵的具體設(shè)計參數(shù)，選擇對應(yīng)尺寸合適的濾器。更換后的濾器結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示，此時濾器上壓蓋的流通面積約為0.068 6 m2，濾器進(jìn)出口流通面積為0.017 8 m2，兩者比例為3.853 9 ∶ 1。重新裝配管路各附件并啟動運(yùn)轉(zhuǎn)，持續(xù)觀察整個燃油系統(tǒng)的工作狀態(tài)，監(jiān)測期間燃油泵保持正常運(yùn)行，燃油系統(tǒng)無異常現(xiàn)象。

圖6 新濾器結(jié)構(gòu)及尺寸

3 結(jié) 語

適用的駁運(yùn)介質(zhì)和正確的操作維護(hù)方法是確保泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。對于管線布置復(fù)雜的系統(tǒng)，其中閥件、彎頭、節(jié)流孔板、高度差及管徑變化等多方面因素，都會給管路系統(tǒng)特性帶來一定影響，由此造成的變化通常難以根據(jù)經(jīng)驗準(zhǔn)確判斷。為驗證管路系統(tǒng)布置的合理性，采用建模仿真是必要的檢驗手段。在故障分析的過程中，拆卸檢驗的對象不僅是單一故障發(fā)生設(shè)備，必要時，管路中的主要附件需逐個檢驗，并結(jié)合設(shè)備說明書進(jìn)行故障排查。故障處理完畢后，再次啟動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時，需保持一定時間的全面監(jiān)測，并準(zhǔn)備采用相關(guān)的應(yīng)急方案，以防止突發(fā)狀況造成的損害，確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。