鄒樹炎，未洪峰，賈雪維

（吉林石化公司煉油廠，吉林吉林 132000）

0 引言

吉林石化公司生產(chǎn)裝置的乙酸乙酯高壓溶劑泵G-607，是一種單級、單吸、懸臂式離心泵，其作用是向各個下游客戶分發(fā)從D-601 乙酸再循環(huán)柱中獲得的高純度（99.9%）乙酸。該泵是化工生產(chǎn)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在氧化區(qū)進行堿性清洗時，該泵需要增大乙酸水溶液的加入量，使其流量增加一倍。如果該泵出現(xiàn)問題、維修不當，則會使母液不均衡、將有機物質(zhì)帶入設(shè)備產(chǎn)生廢氣，進而流入廢氣膨脹器，使整臺設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，極有可能引發(fā)生產(chǎn)事故。而且，由于該泵所用的介質(zhì)是高密度乙酸，所以在維修過程中經(jīng)常會影響環(huán)境。本文將對該故障原因進行剖析，并采取相應(yīng)措施，以保證其長時間平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

1 現(xiàn)有裝備

該泵于2006 年投入使用，曾于2008 年7 月出現(xiàn)過一起懸臂式離心泵故障，斷裂的部位在葉片頭部的螺桿和葉片的軸肩部位，但經(jīng)過維修后再次投入使用。

該泵以雙相不銹鋼作為主要原料，采用2507#鋼的螺殼式和2205#鋼的泵軸。其揚程為198.8 m，流速為140 m/h，額定速度2945 r/min，葉輪的直徑392 mm，電機功率185 kW（表1）。由于水泵不在設(shè)計工況狀態(tài)下工作，所以其在設(shè)計工作狀態(tài)的流量用表示。

表1 水泵的運行狀況

2 軸斷裂原因

2.1 泵軸徑的初驗

在懸臂式離心泵出現(xiàn)軸斷裂的情況下，必須對其選材和結(jié)構(gòu)進行全面研究，并進行合理分析。

從現(xiàn)場的工作情況得知，該泵流速為60 m/h、揚程為230 m，介質(zhì)濃度為0.988 3 kg/m3，該時間點的工作效能η 為40%，因此其功耗為167.28 kW。在此基礎(chǔ)上分析泵的額定輸出功率，得出泵的轉(zhuǎn)矩為541.5 N·m、軸徑為39.9 mm。

目前運行泵的軸徑為46 mm，因此理論上泵的軸徑是合適的。

2.2 輪軸的力學(xué)性能檢驗

在消除軸向尺寸過小的情況下，根據(jù)應(yīng)力大小對其進行校核。從該軸的應(yīng)力解析曲線可以看出，泵的主軸主要有以下4 種受力（圖1）：①軸向作用力F軸，其原因是葉輪的前、后兩個蓋片不均勻；②由于葉片的自重FG和葉片的外周面的不均勻的壓力分配而導(dǎo)致的徑向力F徑；③電機經(jīng)由耦合器傳送的轉(zhuǎn)矩Mn；④軸承的支撐力NA、NB以及與FA軸向力與F軸相同且反向。其中，NA、NB、FA不會影響軸向的強度。

G607 泵的軸頸大部分在安裝葉片的軸肩部位出現(xiàn)裂紋，其橫截面直徑為46 mm，用該截面作為對其進行校核的強度的分析。

從應(yīng)力分析的角度，得出由耦合裝置傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩Mn為9550×PC/n，其中PC為1.2P、P=ρgQH/（1000η）。通過對其特性的分析，可以得出各種工作條件下的Mn（求出的橫斷面扭矩）和剪切應(yīng)力τ（表2）。

由表2 可知，隨著泵工作流速的增大，泵軸的剪應(yīng)力τ 增大，然而即便在工況1、大流速時，直徑46 mm 的泵軸仍然具有足夠的抗剪應(yīng)力強度，因此造成泵軸破裂的原因并非剪切應(yīng)力。

此水泵為單級單吸徑流式，在葉片的中心設(shè)有4 個平衡孔，泵體承受一定的軸向力且不會隨著工作流量的改變而改變；從斷軸的失效情況來看，不是由于軸向作用力造成的。若軸向作用力太大，則會使推力軸承受過大的載荷力，使其滾動件和滾動滑道發(fā)生異常磨損，甚至產(chǎn)生摩擦和過熱情況，但每一次事故后解體，水泵的推力軸承都是完好的。所以可以排除由軸向力引起的斷裂軸失效的假設(shè)。

通常采用螺旋式壓水腔的離心式水泵，按設(shè)計的流率來確定其壓水腔的結(jié)構(gòu)，此時，流體的流速和壓強分布都是均勻的，并且是軸對稱的，從原理上講可以相互抵消、沒有軸向力。然而，在工作流量沒有達到設(shè)計流量的情況下，壓水室與葉片的壓力均衡會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致壓力分布不均勻、不對稱，從而形成徑向應(yīng)力。假定在沒有計算出轉(zhuǎn)子非平衡時產(chǎn)生的離心力的情況下，徑向力FG是由于葉片自重FG和葉片周圍的不均勻的外周面壓力所致。

泵的軸心受到的徑向力與其工作流速、揚程成反比，而彎矩M徑、總彎矩M、彎矩力σw與泵的運行流速、揚程成比，即當工作流速減小時，彎拉應(yīng)力σw增大而揚程增大。G1-607B 和G2-607A 的運行速度都不及正常工作流量的1/2，且輸出壓高達2.3 MPa，勢必增大泵軸的彎曲應(yīng)力，從而造成2205#鋼泵軸的疲勞性能不足。

2.3 軸體斷裂原因的研究

從主軸的斷口位置可以看出，最初大部分的斷口是位于軸頭固定的螺帽螺桿上，隨著斷口的增大，破裂部分會移動到葉片上的軸肩，軸肩與葉片輪轂的端部相接觸，作為軸向的位置，而在其拐角容易出現(xiàn)一個應(yīng)力聚集的區(qū)域；多次出現(xiàn)在葉片裝配鍵的位置，斷口為侵蝕、脫落。宏觀上來看，斷裂斷口呈扁平形或略有凸出，與軸基本上是平行的，也沒有顯著的塑性形變，這表明斷裂為脆性斷裂。

2.4 綜合判斷失效的成因

通過上述分析，得出斷裂軸系失效的主要原因有以下3 個。

（1）由于彎矩和扭矩的作用，軸的表面應(yīng)力最大，而截面的改變使軸肩出現(xiàn)了應(yīng)力聚集，軸肩過渡退刀槽附近的一個較弱的部位就會產(chǎn)生疲勞裂縫。在葉輪離心力的作用下，裂縫會越來越大，從而導(dǎo)致破壞區(qū)域的縮小，當受到的載荷比最小的截面過小時就會出現(xiàn)瞬間的斷裂。

（2）從鍵凹處的斷裂處可以推斷出，這里有裂縫的侵蝕。裂縫腐蝕是在腐蝕介質(zhì)中金屬材料的裂縫及其他隱秘位置普遍存在的一種較大的局部腐蝕。由于間隙中的氧氣含量和電解液成分不同，同時也具有自我促進的功能，因此在活化/鈍化或富余的電池生成之后，陽極區(qū)（槽的內(nèi)側(cè)）的侵蝕更加嚴重。因為這種懸臂式離心泵的葉輪組裝方式，會有液體（99%的乙酸）進入泵的安裝孔和泵體軸線，導(dǎo)致很大的裂縫，而且鍵槽是傳遞力矩的地方，所以當材料被侵蝕的時候就會受到破壞。

（3）轉(zhuǎn)軸不均衡是造成泵體直徑力增大的主要因素，所以必須加以重視。引起泵的轉(zhuǎn)子不平衡的因素主要有兩種：

一是泵的軸頭部破裂而增加了拆裝困難。通常拆除方式是，把葉片和斷裂的軸一起放在壓床上，然后利用液壓工具把斷裂的軸擠壓出來。而且，因為破碎的軸往往會在葉輪的安裝孔和軸頸的縫隙中形成一些細小的金屬粒子，所以在擠壓軸桿時會有金屬粒子進入葉片內(nèi)部。發(fā)生這種情況后，往往需要用銼刀來修磨內(nèi)部的孔徑，從而使葉輪內(nèi)部的孔徑不圓化，使其與軸頸部的嚙合不勻，從而引起旋轉(zhuǎn)的不對稱。

二是葉輪口環(huán)的磨耗。每一次出現(xiàn)的停機都是因為泵體的軸向破裂而引起的，當泵的轉(zhuǎn)速較快時，一旦泵軸發(fā)生破裂，由于慣性作用葉輪與泵體分離后仍然會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從而引起口環(huán)與泵體的摩擦、磨損口環(huán)。針對這一問題，傳統(tǒng)的處理方法是拆卸老口環(huán)、對口環(huán)進行再處理，但會造成葉片的不均勻性。

3 改善措施

根據(jù)上述泵軸斷裂的原因，本文提出如下改善方法：

（1）過程改善。由于負載較小，生產(chǎn)過程中水泵不能在設(shè)計工況下正常工作，需要通過開啟回流旁通線的逆流閥門調(diào)整流量，使水泵接近標稱工作點，進而降低徑向力、彎矩和應(yīng)力。

（2）增加葉輪固定螺帽上的螺紋直徑，從24 mm 增加至27 mm。

（3）將軸頭原槽位置改為半徑為5 mm 的圓形，以實現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸臺階上的平滑過渡，從而消除變直徑部位的應(yīng)力集中。

（4）安裝轉(zhuǎn)子時應(yīng)先檢驗葉輪的內(nèi)孔，如果內(nèi)孔有磨耗或劃破的則應(yīng)采用研磨機對內(nèi)孔進行修補（泵軸的軸直徑要按內(nèi)孔修理后的大小同步增大）；如果口環(huán)有磨損，則應(yīng)重新?lián)Q口環(huán)。然后再通過靜平衡、裝上軸、鎖定螺帽工序，使整體轉(zhuǎn)動平衡，減小不平衡軸對軸徑向力和彎矩的作用。

（5）為防止間隙的侵蝕，在葉輪鎖定螺母上、葉輪背面與泵的軸心之間添加密封件，使介質(zhì)和泵的軸心完全隔絕。

4 總結(jié)

乙酸高壓泵是化工生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其工作狀態(tài)直接影響整個裝置的安全，同時泵的工作環(huán)境十分復(fù)雜，對泵的結(jié)構(gòu)和檢修要求也很高。本文就這種懸臂式離心泵發(fā)生斷裂的情況進行研究，提出相應(yīng)的改進方案，提高了泵體的工作狀態(tài)。在每一次維修中，維修人員都要仔細地查看零件，特別是對葉片內(nèi)部的零件進行修補，通過多個方面的工作大大延長泵軸的使用壽命。