周昌靜， 陳戰(zhàn)勇， 莊法坤， 李 軍

(1.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院， 山東 青島 266580；2.中國石油天然氣股份有限公司 大連石化分公司， 遼寧 大連 116032；3.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029；4.寧夏英力特化工股份有限公司， 寧夏 石嘴山 753200)

口環(huán)是葉輪與泵殼間隙處的密封環(huán)，其作為離心泵葉輪的一種密封結(jié)構(gòu)，主要作用是防止葉輪和殼體間隙之間的內(nèi)部泄漏并保護(hù)泵殼和葉輪[1-4]。在離心泵的運(yùn)行過程中口環(huán)磨損不可避免，其磨損情況直接影響到離心泵的運(yùn)行效率和可靠性，嚴(yán)重的口環(huán)磨損可能導(dǎo)致流量嚴(yán)重不足和超載等意外事故的發(fā)生[5-8]。

口環(huán)磨損后，葉輪與泵殼間隙增大，直接的影響是泵內(nèi)泄漏量增大，泵出口流量降低，離心泵的其它性能參數(shù)，如揚(yáng)程、功率和效率等也將隨著流量的變化而改變。離心泵泄漏量增加后性能參數(shù)的變化與裝置特性密切相關(guān)[9]，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要是采用數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)方法，從泵本身性能下降影響因素方面對(duì)口環(huán)磨損后泵運(yùn)行效率進(jìn)行研究[10-15]，而沒有從口環(huán)磨損泄漏量增大引起的離心泵裝置工作點(diǎn)變化對(duì)離心泵性能參數(shù)的影響方面來分析。因此研究口環(huán)磨損后離心泵裝置工作點(diǎn)的變化和離心泵本身性能參數(shù)的變化規(guī)律，利用性能參數(shù)的變化對(duì)口環(huán)磨損導(dǎo)致的泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)指導(dǎo)因口環(huán)磨損泄漏導(dǎo)致低效率運(yùn)行的離心泵維修策略制定，提高離心泵運(yùn)行效率和可靠性，提高離心泵裝置生產(chǎn)效益具有重要意義。

本文在分析葉輪口環(huán)磨損泄漏量增大導(dǎo)致離心泵性能參數(shù)變化情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)了口環(huán)磨損泄漏導(dǎo)致的離心泵裝置工作點(diǎn)變化和離心泵性能參數(shù)變化特點(diǎn)，并利用離心泵性能參數(shù)的變化規(guī)律對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的某離心泵葉輪口環(huán)磨損故障進(jìn)行了診斷和分析研究。

1 離心泵口環(huán)磨損引起性能參數(shù)變化規(guī)律

離心泵葉輪口環(huán)一側(cè)壓力接近葉輪出口壓力p2，另一側(cè)壓力為葉輪入口壓力p1，由于口環(huán)與泵殼間存在間隙，在壓差的作用下，造成部分液體從高壓p2側(cè)通過口環(huán)間隙向低壓p1側(cè)泄漏(圖1)。這部分液體由葉輪出口流出，但并未流向泵出口，造成離心泵出口供液量減少，這種損失稱為泄漏損失或流量損失。當(dāng)葉輪口環(huán)因磨損造成間隙變大時(shí)，泄漏損失也會(huì)變大，導(dǎo)致泵出口流量降低。

在葉輪出口流量未變的條件下，泵出口壓力與葉輪出口壓力相等。但葉輪口環(huán)磨損造成泄漏量增加，在相同出口壓力下，泵出口的排出流量降低，泵的性能曲線下移。正常工作及口環(huán)磨損使泄漏量變大后泵的揚(yáng)程-體積流量曲線分別見圖2中H-qV、

圖1 口環(huán)密封處的內(nèi)泄漏

H′-qV曲線，在H-qV曲線同一揚(yáng)程處減去因口環(huán)磨損增加的泄漏量即可得到H′-qV曲線。H-qV1曲線為相對(duì)于正常工作時(shí)因口環(huán)磨損葉輪口環(huán)與靜止的殼體間間隙變大后增加的漏損量曲線。圖2中H為泵的揚(yáng)程，h為管路所需揚(yáng)程，m；qV為泵裝置的體積流量，qV1為漏損的體積流量，m3/h；N為功率，kW；η為效率。

圖2 口環(huán)磨損前后離心泵性能曲線和工作點(diǎn)變化情況

離心泵一般串聯(lián)在管路中，離心泵的揚(yáng)程性能曲線H-qV與管路特性曲線h-qV的交點(diǎn)M為離心泵的工作點(diǎn)，且M點(diǎn)是流量平衡和能量平衡的唯一穩(wěn)定工作點(diǎn)[9]。即在M點(diǎn)離心泵所提供的揚(yáng)程等于管路所需的揚(yáng)程、離心泵排出的體積流量等于管路中輸送的體積流量。

口環(huán)磨損后離心泵泄漏量增大，泵性能曲線下移，變?yōu)镠′-qV曲線。若泵出口管路特性曲線不變，工作點(diǎn)將移至M′點(diǎn)。相比于工作點(diǎn)M，M′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積流量qV1減小，揚(yáng)程H1降低。但qV1只是泵出口和泵排液管路中的體積流量，并不是離心泵葉輪排出的體積流量。而根據(jù)泵的工作特性，裝置工作點(diǎn)由M點(diǎn)變?yōu)镸′點(diǎn)后，揚(yáng)程降低，葉輪內(nèi)體積流量應(yīng)該是增加的。M′點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的葉輪內(nèi)體積流量可通過在M′點(diǎn)作水平線與H-qV性能曲線相交來得到，相交點(diǎn)M″對(duì)應(yīng)的體積流量qV2就是實(shí)際流過葉輪的體積流量。正常工作時(shí)若泵無泄漏，此流量就是泵的出口體積流量。qV2與qV1的差值即為口環(huán)密封間隙增大導(dǎo)致的離心泵增大的泄漏量(圖2中直線AB段)。

對(duì)實(shí)際工作中的離心泵，口環(huán)磨損間隙增大后通過葉輪的體積流量是增加的，根據(jù)N-qV曲線體現(xiàn)的功率隨體積流量增加而增加的特點(diǎn)，口環(huán)磨損導(dǎo)致泄漏量增大，泵的功率應(yīng)該增加。相比于原工作點(diǎn)M，泄漏量增大后泵裝置中工作點(diǎn)M′的體積流量和揚(yáng)程均減小，泵的有效功率和效率應(yīng)該降低。因此在固定的離心泵裝置中，離心泵口環(huán)磨損密封間隙增大，將導(dǎo)致裝置體積流量減小，揚(yáng)程下降。因裝置揚(yáng)程降低，使通過葉輪的體積流量增加，離心泵功率增加、效率降低。

2 利用性能參數(shù)變化診斷離心泵泄漏案例

某石化公司封油泵使用過程中出現(xiàn)出口流量不足現(xiàn)象，因前期對(duì)泵入口過濾器濾網(wǎng)進(jìn)行過更換，故排除了因過濾網(wǎng)堵塞導(dǎo)致的泵出口體積流量不足的可能性。為分析泵出口體積流量不足的原因，對(duì)泵出口壓力和電機(jī)電流進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)泵的出口壓力降低，而電流明顯增加。當(dāng)即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)電壓和電頻率均正常，這說明電流的增加不是電壓降低導(dǎo)致，而泵出口體積流量不足也不是電頻率降低導(dǎo)致，所以該封油泵的電流增加和出口體積流量降低應(yīng)與電動(dòng)機(jī)無關(guān)。如果是泵出口排液管堵塞引起的泵出口體積流量不足，泵的出口壓力應(yīng)該變大，功率和電流均應(yīng)降低，故也排除了泵排出管線堵塞導(dǎo)致泵出口體積流量不足的可能性。

為明確該封油泵性能參數(shù)異常的原因，利用離心泵裝置和離心泵本身的性能參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了參數(shù)變化分析。根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出功率P與電流I、電壓U和功率因數(shù)cosφ的關(guān)系P=UIcosφ可以看出，在電壓和功率因數(shù)不變的條件下，電流增大，功率隨之增大。這說明該泵在出口體積流量降低的同時(shí)，功率增大了。根據(jù)N-qV性能曲線的變化規(guī)律，隨著泵出口體積流量的減小，泵的功率應(yīng)該是降低的，而該泵的功率增加，明顯不符合一般離心泵性能參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)前述對(duì)圖2的分析，當(dāng)口環(huán)磨損泄漏量增加時(shí)，泵的功率是增加的。而該泵性能參數(shù)的變化與離心泵口環(huán)磨損泄漏量增加的性能參數(shù)變化規(guī)律相吻合，故初步判斷是口環(huán)磨損泄漏量增加導(dǎo)致的泵出口體積流量不足。

將泵進(jìn)行解體檢查，此泵為兩級(jí)，實(shí)際測(cè)量的一級(jí)葉輪口環(huán)間隙為1.2 mm，二級(jí)驅(qū)動(dòng)端葉輪口環(huán)間隙為1.0 mm，二級(jí)非驅(qū)動(dòng)端葉輪口環(huán)間隙為1.1 mm，級(jí)間軸套間隙為1.1 mm。正常級(jí)間口環(huán)間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.40～0.50 mm，該泵的測(cè)量數(shù)據(jù)均超標(biāo)2倍，說明口環(huán)磨損嚴(yán)重。

重新制作全部的葉輪口環(huán)及級(jí)間軸套，加工完成后測(cè)量級(jí)間軸套間隙為0.42 mm，一級(jí)葉輪口環(huán)間隙為0.58 mm，二級(jí)驅(qū)動(dòng)端口環(huán)間隙為0.63 mm，二級(jí)非驅(qū)動(dòng)端口環(huán)間隙為0.65 mm。將重新加工的級(jí)間軸套和葉輪口環(huán)回裝后再次試泵，泵出口體積流量滿足要求，電流正常。

3 結(jié)語

口環(huán)是離心泵葉輪密封的常用部件之一，泵運(yùn)行過程中口環(huán)磨損不可避免，嚴(yán)重的口環(huán)磨損可能導(dǎo)致意外事故發(fā)生。基于口環(huán)磨損后泄漏量增加導(dǎo)致的離心泵裝置工作點(diǎn)變化和離心泵性能參數(shù)影響規(guī)律的研究，提出利用離心泵性能參數(shù)的變化診斷口環(huán)泄漏故障。封油泵泄漏案例的分析證明，利用口環(huán)磨損后泵性能參數(shù)的變化規(guī)律來診斷因口環(huán)磨損導(dǎo)致的內(nèi)泄漏故障是可行的。

為了實(shí)現(xiàn)離心泵口環(huán)磨損的監(jiān)測(cè)，改變定期維修帶來的過剩維修，建立離心泵性能參數(shù)與口環(huán)磨損量的變化關(guān)系，特別是泄漏量與口環(huán)磨損量的關(guān)系，將是進(jìn)一步的研究重點(diǎn)。