張金瑋，王志鵬，劉建峰，詹培德

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

1 設(shè)備概述

設(shè)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(qū)動(dòng)方式為電機(jī)-疊片式聯(lián)軸器-泵，由葉輪、平衡盤等組成。設(shè)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(zhuǎn)速：2 950 r/min，揚(yáng)程：60 m。

2 設(shè)備故障描述

某年離心泵設(shè)備大檢修結(jié)束后，設(shè)備進(jìn)行開車運(yùn)行，運(yùn)行一段時(shí)間后，該設(shè)備后軸承溫度高達(dá)88 ℃，遠(yuǎn)超過設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的溫度范圍，設(shè)備不能正常運(yùn)行，裝置人員安排停工檢修，經(jīng)檢修人員拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的軸承滾動(dòng)體發(fā)黑，保持架已磨損，平衡盤與平衡座已嚴(yán)重磨損。

3 設(shè)備故障的原因分析

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

3.1 轉(zhuǎn)子軸向力的平衡驗(yàn)證

平衡盤是靠流經(jīng)間隙的液體產(chǎn)生平衡力來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的動(dòng)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(shí)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(jì)算此設(shè)備的總軸向力所需計(jì)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(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向力；F2為泵出口壓力對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向力。

平衡盤能夠承受的軸向力：

通過驗(yàn)證，在此設(shè)備中，平衡盤能夠平衡轉(zhuǎn)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(dòng)是平衡盤與平衡座發(fā)生磨損的原因之一。當(dāng)泵抽空時(shí)，泵入口壓力較低，平衡腔內(nèi)介質(zhì)易汽化，液體摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)楦赡Σ粒胶獗P磨損越大，轉(zhuǎn)子位移越大，當(dāng)軸承貼合至軸承箱端面時(shí)逐漸承受軸向力，軸向力增大，易造成軸承發(fā)熱、損壞。當(dāng)泵穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dāng)時(shí)，會導(dǎo)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(dòng)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(yīng)盡量降低多級泵的啟停機(jī)頻率。

3.3 平衡管堵塞驗(yàn)證

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

3.4 裝配原因分析

（1）設(shè)備安裝時(shí)，首先進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位，若定位不當(dāng)會使平衡座、平衡盤以及軸承安裝不當(dāng)，導(dǎo)致各級葉輪與導(dǎo)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(dāng)轉(zhuǎn)子竄動(dòng)時(shí)，軸承隨之竄動(dòng)，若軸承在軸承箱內(nèi)定位不當(dāng)，易造成軸承損壞，檢修時(shí)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(dòng)時(shí)，軸承在軸承箱內(nèi)竄動(dòng)，當(dāng)平衡盤背壓增大，平衡盤向出口端竄動(dòng)，當(dāng)竄動(dòng)量超過0.3 mm時(shí)，軸承開始承受軸向力（3309軸承軸向間隙最大為0.6 mm），當(dāng)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(dòng)、靜盤平行度不夠。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，平衡盤與平衡座的間隙基本恒定。泵在啟停時(shí)易發(fā)生抽空現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)平衡盤向泵入口方向竄動(dòng)，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(diǎn)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(jié)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(yán)格要求，以保證工作表面有足夠硬度。

綜上所述，轉(zhuǎn)子定位不當(dāng)、軸承定位不當(dāng)及平衡盤與平衡座的材質(zhì)選擇不當(dāng)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(zhuǎn)子定位不當(dāng)、軸承定位不當(dāng)及平衡盤與平衡座的材質(zhì)選擇不當(dāng)?shù)戎饕蚍治觯瑱z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(biāo)準(zhǔn)，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(zhuǎn)子重新定位

當(dāng)設(shè)備安裝時(shí)，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(zhuǎn)子鎖緊為一個(gè)剛體，先將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子拉向排出側(cè)，使得葉輪后蓋靠近導(dǎo)葉，測量此時(shí)的距離為a2，a2-a1即為泵的總竄量。在多級離心泵運(yùn)行中，當(dāng)導(dǎo)葉中心與葉輪中心正好對準(zhǔn)時(shí)，泵的水力損失最小，效率最高[2]。

眾所周知，當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，存在一定的軸向竄動(dòng)，軸向竄動(dòng)應(yīng)在允許范圍內(nèi)，應(yīng)保證電機(jī)和水泵兩聯(lián)軸器端面間的間隙值[3]，平衡盤會在一個(gè)平衡位置左右移動(dòng)?？紤]到泵正常運(yùn)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(dǎo)葉的軸向距離，如圖1所示。因此可保證泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，葉輪中心與導(dǎo)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(dǎo)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(guān)重要的一步，由于運(yùn)行中平衡盤磨損嚴(yán)重，檢修時(shí)對動(dòng)靜盤均進(jìn)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(jìn)行測量調(diào)整，直至符合標(biāo)準(zhǔn)為止。當(dāng)b2＞b1時(shí)，將平衡盤的軸套部位車削去相應(yīng)數(shù)值；b2＜b1時(shí)，在平衡盤軸套處增加相應(yīng)的調(diào)整墊片，最后使間隙達(dá)到最佳運(yùn)行位置。為保證葉輪中心與導(dǎo)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(dǎo)葉的軸向距離，通過以上轉(zhuǎn)子軸向間隙的調(diào)整，保證轉(zhuǎn)子在最佳位置平穩(wěn)運(yùn)行。

4.3 更換軸承并調(diào)整間隙

經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備的軸承滾動(dòng)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(dòng)過大或磨損過大時(shí)，承受軸向力，用來控制轉(zhuǎn)子的竄動(dòng)極限，保護(hù)機(jī)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的徑向力。

維修多級離心泵時(shí)，泵轉(zhuǎn)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(yīng)地發(fā)生變化。因此，應(yīng)重新測量轉(zhuǎn)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(dòng)值以及轉(zhuǎn)子部件與殼體部件之間的徑向總間隙，其允許偏差應(yīng)符合相應(yīng)技術(shù)文件的規(guī)定[5],以保證軸承的安全運(yùn)行。

軸承間隙調(diào)整方法：在定好轉(zhuǎn)子中心以及定好動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(shí)，考慮到設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)，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(zhuǎn)子帶動(dòng)軸承能夠自由地軸向竄動(dòng)。

經(jīng)過對設(shè)備軸向力的平衡驗(yàn)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(zhuǎn)子的竄量保證在軸承箱內(nèi)的間隙范圍以內(nèi)，以保護(hù)機(jī)械密封。

4.4 改進(jìn)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(jìn)采取平衡盤與平衡座貼合的方式裝配。一是防止動(dòng)平衡盤與靜平衡盤平行度不夠，造成由面接觸改變成點(diǎn)接觸，增加磨損的概率；二是保證平衡盤自由移動(dòng)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(shí)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(jié)束語

通過對設(shè)備的改進(jìn)，使得設(shè)備運(yùn)行處于優(yōu)良狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行中，各項(xiàng)工藝性能指標(biāo)均達(dá)到要求。平衡盤與平衡座磨損的主要原因是轉(zhuǎn)子定位不當(dāng)、軸承定位不當(dāng)及平衡盤與平衡座的材質(zhì)選擇不當(dāng)導(dǎo)致，因此對其進(jìn)行調(diào)整間隙尺寸、更換部件，并加強(qiáng)設(shè)備使用期間的定期巡檢維護(hù)，可取得明顯的效果。