李彥成，孫卓慶，黨啟柏，尹小菊

（兗州煤業(yè)榆林能化有限公司， 陜西 榆林 719000）

1 多級離心泵故障情況介紹

高溫?zé)崴脼榕P式雙支撐水平剖分多級離心泵（型號：SCSK300-85×9），功率900 kW，揚(yáng)程880 m，入口壓力0.9 MPa，出口壓力8.5 MPa，介質(zhì)為170 ℃固含量為0.5% ～ 1%的灰水，泵葉輪采用背靠背自平衡流體方式布置。

6 臺高溫?zé)崴迷谕哆\(yùn)初期狀況良好，但運(yùn)行3個月后泵相繼出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動值逐步上漲、兩端機(jī)械密封頻繁泄漏、止推軸承溫度上漲等問題。根據(jù)現(xiàn)場檢修統(tǒng)計，3 個月內(nèi)6 臺泵轉(zhuǎn)子振動值從最初的2.0 mm/ s以下逐步上漲至超過21 mm/s，非驅(qū)動側(cè)止推軸承溫度從最初的40 ℃逐步上漲至90 ℃，在后續(xù)1 個月期間兩側(cè)機(jī)械密封相繼出現(xiàn)8 次泄漏故障。

2 泵故障原因分析

2.1 泵入口過濾器設(shè)計缺陷

為了有效隔離管道系統(tǒng)中的顆粒，泵入口設(shè)計了T 型過濾器（型號：SRT-1-350/2.0），濾網(wǎng)為30 目不銹鋼絲網(wǎng)。泵的轉(zhuǎn)子摩擦副口環(huán)間隙為0.42 ～ 0.5 mm，同時泵的安裝手冊要求泵的入口過濾器有效過濾面積為入口管道的2.5 ～ 3 倍[1]。為了防止顆粒物進(jìn)入系統(tǒng)磨損轉(zhuǎn)子摩擦副，要求濾網(wǎng)過濾顆粒直徑不大于摩擦副間隙即0.42 mm，根據(jù)SH/T 3411—2017《石油化工泵用過濾器選用、驗收規(guī)范》 [2]內(nèi)不銹鋼絲網(wǎng)參數(shù)表（見表1）數(shù)查閱，對應(yīng)的絲網(wǎng)目數(shù)應(yīng)該為40，但設(shè)計時為了避免濾網(wǎng)頻繁堵塞導(dǎo)致泵抽空，選擇了30 目濾網(wǎng)。

由表1 查得DN 350 正折流T 型過濾器有效面積30 目濾網(wǎng)對應(yīng)有效過濾面積為0.325 3 m2。而DN 350 管道的總截面過流面積為：S = πR2= 3.14× （0.35/2）2= 0.096 2 m2，則過濾器有效過濾面積與入口管道過流截面積比值為：i = 0.325 3/0.096 2 = 3.36。

2.2 泵摩擦副選材硬度不足。

為滿足耐腐蝕性能和便于機(jī)械加工制造，該泵的泵體密封環(huán)和葉輪密封環(huán)采用3Cr13 配合1Cr13MoS的摩擦副材料。從材料分類二者屬于馬氏體不銹鋼，該鋼機(jī)械加工性能好，經(jīng)熱處理（表面淬火）后，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

泵在運(yùn)行期間，灰水介質(zhì)內(nèi)高速流動的漂珠硬質(zhì)顆粒導(dǎo)致泵轉(zhuǎn)子摩擦副快速磨損，轉(zhuǎn)子口環(huán)摩擦副實(shí)際運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離了設(shè)計指標(biāo)[3]。3Cr13 配合1Cr13MoS 的摩擦副材料不耐磨的缺陷充分暴露，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子摩擦副迅速磨損，間隙增大。而在轉(zhuǎn)子中部的節(jié)流襯套由于處于壓差最大的位置，摩擦副內(nèi)部顆粒流速最高，所以磨損更為明顯，在失去中間節(jié)流襯套的支撐固定后，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)大幅度振動。

表1 不銹鋼絲網(wǎng)參數(shù)表Table 1 Stainless steel wire mesh parameters table

2.3 泵機(jī)械密封設(shè)計存在缺陷

該泵密封冷卻系統(tǒng)采用了API 682 標(biāo)準(zhǔn)中Plan32的沖洗方案，采用外供1.5 MPa 冷卻水沖洗方式對機(jī)械密封進(jìn)行沖洗、冷卻和潤滑。

泵選配國內(nèi)某廠家單端面機(jī)械密封，沖洗液進(jìn)入密封腔的方式采用單孔徑向沖洗的方式。根據(jù)速度公式：v =ω×r ，泵機(jī)械密封邊緣線速度為171 m/s，在高線速度下部分密封沖洗液由于離心力作用，密封液無法充分進(jìn)入密封端面進(jìn)行冷卻和沖洗，同時由于密封冷卻水從一點(diǎn)處對摩擦副進(jìn)行沖洗，導(dǎo)致摩擦副離沖洗水孔進(jìn)入處的遠(yuǎn)端無法得到充分的冷卻和潤滑，摩擦副密封環(huán)由于高溫而碎裂。

由于泵在運(yùn)行初期入口濾網(wǎng)拆卸，介質(zhì)內(nèi)的顆粒導(dǎo)致泵轉(zhuǎn)子各級摩擦磨損嚴(yán)重，泵軸端節(jié)流襯套節(jié)流效果不佳，導(dǎo)致平衡管來不及泄壓平衡，機(jī)械密封腔內(nèi)失去平衡，密封腔內(nèi)壓力隨著軸端節(jié)流襯套的磨損壓力逐步升高，最終導(dǎo)致1.5 MPa 的密封水無法順利進(jìn)入。機(jī)械密封腔內(nèi)介質(zhì)反竄污染密封腔，機(jī)械密封摩擦副得不到良好的潤滑，長期在帶硬顆粒的介質(zhì)內(nèi)運(yùn)行后端面磨損嚴(yán)重，最終頻繁出現(xiàn)泄漏情況[4]。

2.4 灰水水質(zhì)問題。

由于系統(tǒng)運(yùn)行期間氣化煤種的參配，導(dǎo)致灰水系統(tǒng)出現(xiàn)大量漂珠。漂珠的主要化學(xué)成分是二氧化硅、三氧化二鋁和二氧化二鐵，其次是氧化鈣、氧化鎂等，漂珠硬度大，剛性強(qiáng)，當(dāng)泵入口過濾器拆卸后，大量漂珠進(jìn)入對泵的口環(huán)以及摩擦副過流部件磨損極大，最終導(dǎo)致泵摩擦副失去對轉(zhuǎn)子的支撐作用而振動加大。

總結(jié)以上問題，首先是氣化系統(tǒng)更換煤種，導(dǎo)致灰水系統(tǒng)中產(chǎn)生大量硬質(zhì)顆粒的漂珠，隨后高溫?zé)崴萌肟跒V網(wǎng)由于設(shè)計過流面積太小，在實(shí)際運(yùn)行中由于垢片堵塞而拆卸。泵入口濾網(wǎng)拆卸后介質(zhì)內(nèi)大量硬質(zhì)漂珠顆粒進(jìn)入泵體內(nèi)，導(dǎo)致泵密封環(huán)及節(jié)流襯套等摩擦副間隙磨損迅速增大。摩擦副間隙增大后，泵軸失去有效的中間支撐而發(fā)生彎曲，泵軸彎曲后更加加劇密封環(huán)、軸套的磨損，使泵體振動加大，軸向推力也增大，止推軸承超溫。同時軸端節(jié)流襯套磨損后節(jié)流效果不好，機(jī)械密封腔失去平衡而壓力升高，導(dǎo)致密封沖洗水無法進(jìn)入，機(jī)械密封摩擦副工況惡化頻繁損壞。以上各個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，最終導(dǎo)致高溫?zé)崴么嬖谥T多故障而無法運(yùn)行。

3 故障解決辦法及改進(jìn)措施

3.1 重新設(shè)計入口過濾器

泵原設(shè)計的入口正折流式過濾器無法滿足實(shí)際運(yùn)行要求，主要原因是運(yùn)行初期介質(zhì)實(shí)際運(yùn)行工況惡劣，過濾器有效過濾面積與入口管道通流面積比值冗余量太?。▽?shí)際計算比值為3.36），無法滿足實(shí)際工況的需求。

通過技改，將過濾器濾芯的長度延長至原長度的兩倍（原長800 mm），過濾器經(jīng)延長后過濾的有效過濾面積增加一倍（見圖1）。技改后過濾器的有效過濾面積達(dá)到0.650 6 m2（原過濾面積為0.325 3 m2），實(shí)際有效過濾面積和管道的通流面積比值為：i = 0.0.650 6/0.096 2 = 6.72。是原過濾器的通流比值的2 倍。

圖1 過濾器技改Fig.1 Filter technical reform

3.2 改進(jìn)轉(zhuǎn)子摩擦副材質(zhì)

針對原轉(zhuǎn)子摩擦副材質(zhì)不耐磨問題，我廠聯(lián)系泵制造廠家進(jìn)行技改，技改的目的是提高摩擦副的表面硬度，提高摩擦副在極端工況下的耐磨性能。經(jīng)與廠家核算后，將原3Cr13 配合1Cr13MoS 的摩擦副材料替換為0Cr17Ni12Mo2 表面堆焊司太立合金（Co50%、Cr30%、W10%）的摩擦副。同3Cr13 和1Cr13MoS 材質(zhì)相比，司太立合金合金內(nèi)部的鉻、鈷、鎢元素都有極高的硬度[5]，可以極大地提高口環(huán)的耐磨性以及高溫工況下的硬度，同時又有更好的抗氧化、抗磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，主要機(jī)械性能對比見表2。

表2 機(jī)械性能對比Table 2 Mechanical performance comparison

單純的司太立合金難于機(jī)加工而且由于硬度高易脆裂。采用0Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼作為摩擦副基體，表面堆焊司太立合金，既保證了摩擦副的綜合機(jī)械性能，又保證了摩擦副的高硬度耐磨損性能。

3.3 改進(jìn)機(jī)械密封沖洗液分布方式

針對原有機(jī)械密封存在的問題，我廠聯(lián)系密封廠家進(jìn)行針對性的技改。在原機(jī)械密封基礎(chǔ)上增加布水環(huán)，將原密封系統(tǒng)的單孔沖洗方式改為多孔環(huán)向沖洗方式。密封沖洗水進(jìn)入密封腔后進(jìn)行二次優(yōu)化分布，沖洗水圍繞摩擦副端面設(shè)置環(huán)狀14 個沖洗小孔進(jìn)行沖洗，保證密封摩擦副以最佳的冷卻方式對摩擦副端面進(jìn)行沖洗及降溫，防止摩擦副由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)密封水無法及時進(jìn)入密封端面進(jìn)行冷卻和沖洗。

同時為了防止密封腔內(nèi)壓力波動時介質(zhì)反向進(jìn)入密封腔污染摩擦副端面，在機(jī)械密封軸套后部增加泵送環(huán)，泵送環(huán)與泵腔體內(nèi)壁保持微小間隙，起到節(jié)流和對灰水介質(zhì)的反向泵送加壓作用，形成第二道隔離屏障，有效防止系統(tǒng)介質(zhì)的反向進(jìn)入而污染密封摩擦副。

3.4 轉(zhuǎn)子的核心支撐摩擦副進(jìn)行技改

在高溫?zé)崴眠\(yùn)行期間，由于轉(zhuǎn)子摩擦副磨損間隙增大，失去對轉(zhuǎn)子的徑向限制后轉(zhuǎn)子振動加大。在所有的摩擦副中對轉(zhuǎn)子徑向限制起關(guān)鍵作用的是驅(qū)動側(cè)和中間節(jié)流襯套摩擦副，尤其是中間節(jié)流襯套摩擦副，因為轉(zhuǎn)子中間位置是跳動和振動振幅最大位置。針對該情況，在驅(qū)動側(cè)和中間節(jié)流襯套摩擦副處增加干凈的密封沖洗水進(jìn)行沖洗，要求改密封水為干凈密封水，同時要求其壓力比對應(yīng)工作壓力點(diǎn)適當(dāng)高，工作時密封水正向流向壓力低側(cè)進(jìn)入介質(zhì)系統(tǒng)（技改方案見圖2）。

摩擦副技改后，一方面高壓的沖洗水可形成強(qiáng)制正向沖洗通道，阻止漂珠顆粒進(jìn)入摩擦副內(nèi)對摩擦副造成磨損，另一方面同系統(tǒng)灰水相比較，潔凈的密封沖洗水可起到更好的冷卻和潤滑作用。為確保沖洗密封水起到最好的冷卻潤滑作用，在該兩處節(jié)流襯套摩擦副外部也設(shè)置布水環(huán)，對應(yīng)節(jié)流套本體增加6個φ8 mm 沖洗孔布水進(jìn)入沖洗。經(jīng)計算，中間節(jié)流襯套摩擦副位置處密封水要求流量為6.71 m3/h，壓力為8.8 MPa；驅(qū)動側(cè)節(jié)流襯套摩擦副位置處密封水流量為6.74 m3/h，壓力為5.6 MPa。

3.5 增加灰水漂珠收集系統(tǒng)

圖2 節(jié)流襯套技改Fig.2 Technical transformation of throttle bushing

圖3 漂珠收集系統(tǒng)簡要流程Fig.3 Brief process of floating beads collection system

針對灰水系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的大量漂珠，我廠及時采取措施，分別在灰水沉降槽頂部增設(shè)漂珠攔阻系統(tǒng)（簡要流程見圖3）。該道攔截為主要攔截，運(yùn)行期間漂珠漂浮在槽內(nèi)溢流堰液面擋圈內(nèi)部，通過攪拌器攪拌旋轉(zhuǎn)后從漂珠收集管流出，在低壓灰水泵進(jìn)出口增設(shè)大口徑大過流面積的過濾器來攔阻漂珠，多道攔截防止大量漂珠進(jìn)入灰水系統(tǒng)而磨損該泵的口環(huán)等過流部件。實(shí)踐證明該漂珠攔阻系統(tǒng)效果明顯，有效攔阻了灰水系統(tǒng)內(nèi)的絕大部分漂珠，剩余的部分漂珠被該泵改進(jìn)后的過濾器再次攔阻，從而高效地保證了該泵的介質(zhì)潔凈程度，避免了該泵過流部件的磨損損 壞[6-7]。

4 結(jié)束語

導(dǎo)致多級離心泵振動等的因素很多，包括工藝條件和系統(tǒng)配置是否與泵及密封系統(tǒng)的設(shè)計相適。買方與泵供貨方對操作條件的充分溝通，在工藝和系統(tǒng)設(shè)計上采取必要的措施來滿足和改善泵的操作條件， 在實(shí)際操作中應(yīng)加強(qiáng)對泵操作條件的檢查，防止嚴(yán)重偏離預(yù)期工況運(yùn)行，使泵組工況惡化，導(dǎo)致各種故障的發(fā)生。

本文通過分析灰水多級離心泵故障原因，從工藝系統(tǒng)上著手改善泵操作工況，從泵本體及密封的選材、結(jié)構(gòu)等著手改造泵組， 采取針對性的措施，多措并舉，改造后取得了很好的效果。