孫治忠 許明鵬

(金川集團(tuán)股份有限公司化工廠)

液氯屏蔽泵電機(jī)失效原因與維護(hù)技術(shù)

孫治忠*許明鵬

(金川集團(tuán)股份有限公司化工廠)

對(duì)液氯屏蔽泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，說明了電機(jī)失效故障產(chǎn)生的原因，并提出液氯屏蔽泵的日常維護(hù)技術(shù)。

屏蔽泵 電機(jī)失效 維護(hù)技術(shù)

液氯屏蔽泵是實(shí)現(xiàn)液氯輸送灌裝的關(guān)鍵設(shè)備，相比傳統(tǒng)的多級(jí)液氯液下泵具有無泄漏、檢修維護(hù)費(fèi)用低及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。金川集團(tuán)股份有限公司化工廠40萬t離子膜系統(tǒng)中液氯灌裝采用了CNF型液氯屏蔽泵，該泵流量20m3/h，揚(yáng)程80m，最大軸功率16.95kW，正常軸功率15.58kW，汽蝕余量2.2m，電機(jī)功率21kW，額定電流47.3A。自2009年投入運(yùn)行以來一直較為穩(wěn)定，但在2014年突然發(fā)生電機(jī)失效故障，且故障前所有參數(shù)運(yùn)行正常。筆者對(duì)液氯屏蔽泵電機(jī)失效故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，并論述液氯屏蔽泵的日常維護(hù)技術(shù)。

1 液氯屏蔽泵的工作原理和主要結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

屏蔽泵葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)從入口管吸進(jìn)液體，大部分液氯加壓后從泵出口排出；少部分液氯從主軸上的小孔進(jìn)入空心軸，然后被和軸連在一起的高速運(yùn)轉(zhuǎn)的輔助葉輪再次吸入并加壓供給后部滑動(dòng)部件、定轉(zhuǎn)子屏蔽套間隙和前部滑動(dòng)部件，再返回到葉輪的出口端，一并隨直接排出的大部分液氯混合排出到泵出口管道。由于轉(zhuǎn)動(dòng)部位被液氯包圍，液氯既是潤(rùn)滑劑又是冷卻劑，無需動(dòng)環(huán)密封，只有后部的靜密封，運(yùn)轉(zhuǎn)安全無泄漏。CNF型液氯屏蔽泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

液氯屏蔽泵主要部件和功能如下：

圖1 CNF型液氯屏蔽泵結(jié)構(gòu)

a. 耐磨盤，固定在軸承體上與葉輪盤配合以抵消軸向力，與葉輪盤配合間隙為0.20～0.25mm；

b. 軸承，碳化硅滑動(dòng)軸承具有較強(qiáng)的耐磨能力和抗腐蝕能力；

c. 輔助葉輪，輔助葉輪將進(jìn)入電機(jī)定轉(zhuǎn)子間隙的液氯進(jìn)行二次加壓送往出口；

d. 屏蔽套，哈氏合金屏蔽套渦流損失小，安全可靠。

1.2 屏蔽式循環(huán)回路結(jié)構(gòu)

屏蔽泵是電機(jī)和泵體為一體的無泄漏泵，潤(rùn)滑和冷卻全部依靠?jī)?nèi)部介質(zhì)循環(huán)，因此循環(huán)回路必須保證泵體內(nèi)部的熱平衡。

針對(duì)不同類型的屏蔽泵，其循環(huán)回路的設(shè)計(jì)方式不同，而液氯屏蔽泵作為易氣化介質(zhì)輸送設(shè)備，一般采用的循環(huán)方式有：泵體→空心軸→輔助葉輪→后軸承→后推力盤→輔助葉輪進(jìn)口；泵體→空心軸→輔助葉輪→屏蔽套→前推力盤→前軸承→葉輪出口。

在使用過程中要確保循環(huán)回路中的液氯循環(huán)量足夠電機(jī)和各零部件充分潤(rùn)滑、冷卻，循環(huán)量的理論計(jì)算公式為：

Q=(k1+k2)/(ρ×Cp×ΔT)

式中Cp——液氯比熱容，J/(kg·℃)；

k1——電機(jī)消耗功率，W；

k2——軸承、推力盤等阻力元件消耗的功率，一般為0.05k1；

ΔT——液氯進(jìn)出口溫差，一般取值為4℃；

ρ——液氯在泵進(jìn)口溫度條件下的密度，kg/m3。

根據(jù)以上公式計(jì)算得到現(xiàn)有的液氯屏蔽泵理論循環(huán)量為1.06m3/s，而實(shí)測(cè)該泵循環(huán)量為1.8 m3/s，約為計(jì)算值的1.7倍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中取循環(huán)量設(shè)計(jì)值為計(jì)算值的1.5～2.0倍，較大的安全裕量可保證設(shè)備安全運(yùn)行，尤其是易氣化介質(zhì)的屏蔽泵設(shè)計(jì)時(shí)盡量取上限。

1.3 軸向力自平衡結(jié)構(gòu)

屏蔽泵的泵軸和電機(jī)軸為同一根軸，電機(jī)在啟動(dòng)過程中具有較大的軸向力，后端輔助葉輪由于背壓的作用也具有一定的軸向力，因此屏蔽泵在運(yùn)行過程中將承受較普通泵更大的軸向力，而軸向力的存在對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有極大危害，為避免此危害，屏蔽泵的葉輪盤背面設(shè)計(jì)了軸向力平衡孔。

在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，液氯從葉輪盤和耐磨盤的間隙進(jìn)入葉輪背面將多余的軸向力釋放至葉輪入口負(fù)壓區(qū)。葉輪盤與耐磨盤的間隙是保證軸向力平衡的關(guān)鍵，按照設(shè)計(jì)要求，一般控制該間隙在0.20～0.25mm之間。當(dāng)間隙大于0.25mm時(shí)，進(jìn)入葉輪背面的液氯量增大，多余的液氯不能及時(shí)被平衡孔泄至葉輪入口，泵體將承受向葉輪方向的軸向力，引起葉輪口環(huán)和前推力盤的磨損；當(dāng)間隙小于0.20mm時(shí)，進(jìn)入葉輪背面的液氯量減少，多余的軸向力不能被釋放，泵體將承受向電機(jī)方向的軸向力，引起葉輪和后推力盤的磨損。因此，在實(shí)際運(yùn)行中務(wù)必保證葉輪盤和耐磨盤的間隙。

2 電機(jī)失效分析及修復(fù)

金川集團(tuán)股份有限公司40萬t離子膜系統(tǒng)中液氯屏蔽泵2009年投入運(yùn)行，已經(jīng)安全運(yùn)行了4年時(shí)間，2014年在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中突然出現(xiàn)電機(jī)失效，故障發(fā)生后技術(shù)組對(duì)比故障前后電流的變化，故障發(fā)生前電流運(yùn)行平穩(wěn)，故障時(shí)電流瞬間升高(超出量程范圍)，且事故后葉輪卡阻，為進(jìn)一步分析故障原因，維檢人員將泵體解體，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2～5所示。

圖2 泵殼拆卸后內(nèi)部情況

圖3 葉輪表面附著雜物

圖4 電機(jī)定子屏蔽套被破壞

圖5 葉輪盤與耐磨盤間隙

可以看出：泵殼內(nèi)部雜質(zhì)集聚在底部，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與葉輪摩擦，泵負(fù)荷增大；電機(jī)定子屏蔽套被高壓沖擊成波浪形；葉輪盤與耐磨盤內(nèi)圓配合間隙增大到0.37mm，超出標(biāo)準(zhǔn)，且耐磨盤后端軸承外端面破碎。

屏蔽泵泵殼內(nèi)部雜質(zhì)在實(shí)際運(yùn)行中增大了葉輪負(fù)荷，且雜質(zhì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子間隙和潤(rùn)滑部位降低了泵的使用性能，根據(jù)日常電流判斷，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電流沒有明顯變化，且從現(xiàn)場(chǎng)照片分析，雜質(zhì)形成時(shí)間較長(zhǎng)，因此泵內(nèi)雜質(zhì)并不是導(dǎo)致事故的原因。

電機(jī)定子屏蔽套被破壞，且為均勻的波浪狀，從現(xiàn)象來看，定子屏蔽套是外力作用形成的波浪狀沖擊損壞，在電機(jī)定子出現(xiàn)燒損故障時(shí)，內(nèi)部會(huì)急劇產(chǎn)生高溫高壓的氣體，將屏蔽套沖擊成波浪狀，且轉(zhuǎn)子屏蔽套完好無損，進(jìn)一步說明電機(jī)燒損的原因并不是電機(jī)自身的故障所致。

葉輪盤和耐磨盤配合間隙超標(biāo)0.17mm，間隙變大造成進(jìn)入耐磨盤內(nèi)部的液氯增大，過多的液氯不能及時(shí)從平衡孔(圖5中箭頭所指位置為軸向力平衡孔)排出，引起軸向力不平衡，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸向力促使電機(jī)向葉輪方向移動(dòng)，前軸承體內(nèi)部滑動(dòng)軸承和推力盤之間軸向力增大，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致前軸承外端面被磨損，電機(jī)電流升高，電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱。

由于在現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)前軸承破碎，打開泵蓋無法盤車，結(jié)合上述原因分析，造成屏蔽泵電機(jī)燒損的原因?yàn)椋哼\(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于葉輪盤與耐磨盤間隙變大，軸向力不平衡，電機(jī)向葉輪方向移動(dòng)，長(zhǎng)期磨損導(dǎo)致軸承破碎并與軸抱死，電機(jī)電流瞬時(shí)升高，電機(jī)急劇發(fā)熱，軸承抱死后，維檢人員沒有及時(shí)解體檢查，而是連續(xù)強(qiáng)行啟動(dòng)電機(jī)兩次，由于屏蔽泵電機(jī)啟動(dòng)電流較普通電機(jī)大很多，連續(xù)啟動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)定子內(nèi)部溫度急劇升高并燒損電機(jī)定子，在定子燒損時(shí)產(chǎn)生的高壓高溫氣體瞬時(shí)膨脹爆炸，將定子屏蔽套沖擊成波浪狀(圖4)。

在分析清楚故障原因后對(duì)屏蔽泵進(jìn)行了修復(fù)，由于造成故障的根本原因?yàn)槿~輪盤和耐磨盤配合間隙超標(biāo)造成，在檢修過程中重新加工了耐磨盤，與現(xiàn)有葉輪尺寸相配合，并更換了兩端滑動(dòng)軸承、電機(jī)定子、定子屏蔽套、屏蔽版以及葉輪口環(huán)等備件。

3 液氯屏蔽泵的使用維護(hù)技術(shù)

3.1 進(jìn)出口管道配置和安裝方式

液氯屏蔽泵在配置出入口管道時(shí)應(yīng)盡可能地減少閥門、彎頭的配置，尤其是入口管道配置時(shí)過多的閥門、彎頭會(huì)使液氯碰撞產(chǎn)生氣體或渦流，引起泵的氣蝕或輸送能力的下降；另外，屏蔽泵安裝時(shí)對(duì)汽蝕余量的要求較高，必須保證裝置的有效氣蝕余量高于泵的必須汽蝕余量，防止液氯在泵入口處汽化，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方式為：裝置有效汽蝕余量=泵必須汽蝕余量+管路沿程損失+0.5m(安全余量)。金川集團(tuán)股份有限公司40萬t離子膜系統(tǒng)中屏蔽泵的氣蝕余量為2.2m，而裝置的有效氣蝕余量為4m。

3.2 啟停操作和加壓運(yùn)行方式

液氯屏蔽泵在啟動(dòng)運(yùn)行之前要先打開出口回流閥排氣，再打開入口閥進(jìn)行泵體灌液，灌液時(shí)間以泵體溫度不再變化為準(zhǔn)，這樣可保證泵體內(nèi)部不會(huì)有殘余氣體，泵啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)也不會(huì)有零件因?yàn)楦赡ザ鵁龘p。

一般認(rèn)為，在保證氣蝕余量和泵體內(nèi)部灌液要求后，泵完全可以正常運(yùn)行，但在實(shí)際運(yùn)行過程中依然會(huì)有極少量氣體存在，為徹底解決液氯輸送過程中的隱患，我公司在液氯輸送時(shí)采用氮?dú)饧訅悍ㄝ斔?，輸送前用氮?dú)鈱⒁郝葍?chǔ)罐的氣相壓力提至300kPa左右，再進(jìn)行泵體灌液和輸送，使屏蔽泵的運(yùn)行更加安全可靠，泵輸送壓力保持在1.0MPa左右。

3.3 定期清洗

屏蔽泵運(yùn)行過程中難免有微量雜質(zhì)，長(zhǎng)期運(yùn)行雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入滑動(dòng)軸承內(nèi)部、轉(zhuǎn)子腔體、后部軸承內(nèi)部，造成泵的性能下降，電機(jī)電流升高，嚴(yán)重者會(huì)引起電機(jī)內(nèi)部軸向力不平衡、電機(jī)發(fā)熱等故障，進(jìn)而損壞設(shè)備。因此屏蔽泵在運(yùn)行過程中須定期進(jìn)行清洗維護(hù)，維護(hù)周期可按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況制定，一般一年清洗一次就可保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行，清洗完畢后，必須用露點(diǎn)低于-40℃的儀表空氣進(jìn)行徹底吹掃干燥，以免腐蝕設(shè)備。

3.4 日常點(diǎn)檢和檢修

屏蔽泵的葉輪軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子為一體，潤(rùn)滑冷卻全部依靠?jī)?nèi)部液氯，整體設(shè)備沒有任何動(dòng)密封，也沒有裸露在外面的零部件，無法按照普通機(jī)泵點(diǎn)檢方式進(jìn)行日常點(diǎn)檢。但屏蔽泵的運(yùn)行特性還是比較明顯的，其運(yùn)行電流和出口壓力可直接反映設(shè)備運(yùn)行狀況。正常運(yùn)行時(shí)電流和泵出口壓力穩(wěn)定，當(dāng)電流減小、壓力下降或波動(dòng)時(shí)說明泵存在汽蝕，汽蝕發(fā)生時(shí)泵體伴有振動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)電流和壓力穩(wěn)定，但泵體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，說明泵體機(jī)械部件發(fā)生磨損，要及時(shí)停止運(yùn)行進(jìn)行檢查處理；當(dāng)電流增大、壓力不變或降低時(shí)說明泵體內(nèi)部雜質(zhì)過多，有時(shí)還伴有定子外殼溫度升高的跡象。因此，在日常維護(hù)和點(diǎn)檢時(shí)主要檢查屏蔽泵電流、出口壓力以及振動(dòng)3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

現(xiàn)有屏蔽泵的運(yùn)行參數(shù)見表1。在檢修作業(yè)過程中，要嚴(yán)格按照檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，常規(guī)檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表2、3。

表1 2014年液氯屏蔽泵部分運(yùn)行參數(shù)

注：出廠要求振動(dòng)小于2mm/s。

表2 轉(zhuǎn)子中段位置、葉輪口環(huán)處跳動(dòng)值標(biāo)準(zhǔn) mm

表3 葉輪軸向竄動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)

除以上常規(guī)檢修標(biāo)準(zhǔn)外，在實(shí)際檢修作業(yè)過程中，還需注意檢查耐磨盤與葉輪盤的間隙、葉輪軸向間隙以及動(dòng)平衡殘余量等指標(biāo)，不同型號(hào)屏蔽泵具體指標(biāo)按照制造商規(guī)定要求執(zhí)行，值得一提的是在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡殘余量控制方面，建議按照G1標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以保證設(shè)備能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

液氯屏蔽泵設(shè)計(jì)精度要求高，在使用過程中關(guān)鍵要注意軸向力的平衡、液氯氣化的控制以及泵體內(nèi)雜質(zhì)的清理。軸向力的平衡直接影響到設(shè)備使用壽命，甚至可以說液氯屏蔽泵是否能真正長(zhǎng)周期運(yùn)行，主要取決于軸向力的控制，而軸向力的控制一方面要保證設(shè)備運(yùn)行前內(nèi)部滿液，另一方面要定期檢查葉輪盤和耐磨盤的配合間隙；而設(shè)備能否長(zhǎng)期高效率運(yùn)行則主要取決于液氯氣化的控制和雜質(zhì)的清理，要求做到精細(xì)化操作和定期清洗維護(hù)。

TQ051.21

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0254-6094(2016)01-0112-04

*孫治忠，男，1970年2月生，高級(jí)工程師,廠長(zhǎng)。甘肅省金昌市，737104。

2015-06-03)