馬翔儀 劉 杰

（1.浙江逸盛石化有限公司；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西北銷售分公司）

某公司PTA裝置中醋酸高壓溶劑泵（G-607）為進(jìn)口的單級(jí)、單吸、懸臂式離心泵，公司共有兩套PTA裝置，每套裝置兩臺(tái)醋酸高壓溶劑泵，一開一備。 主要用于將D-601醋酸溶劑回收塔所回收的高濃度（99.9%）醋酸分配給各下游用戶。 該泵在運(yùn)行時(shí)存在兩種工況，當(dāng)氧化工段進(jìn)行過(guò)濾機(jī)堿洗時(shí)，需要加大醋酸溶劑的用量，比日常工況下的流量加大一倍，運(yùn)行條件苛刻。該泵在PTA裝置中極其重要，若發(fā)生故障檢修不及時(shí)，將會(huì)引起裝置母液系統(tǒng)不平衡，造成有機(jī)物夾帶進(jìn)入裝置尾氣系統(tǒng)，從而進(jìn)入尾氣膨脹機(jī)，導(dǎo)致整個(gè)裝置停車，甚至存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。 另外，由于該泵輸送的介質(zhì)為高濃度醋酸，每次檢修都會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染，因此，有必要對(duì)該泵的斷軸故障進(jìn)行原因分析，并提出有效的改進(jìn)措施，確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

2005年裝置正式投產(chǎn)，運(yùn)行一年多，至2007年6月， 懸臂離心泵首次發(fā)生斷軸事故， 經(jīng)檢修后，重新投運(yùn)，隨后斷軸事故頻繁發(fā)生，一直未能正常運(yùn)行。 斷軸的位置主要在軸頭螺紋根部和葉輪安裝軸肩處。

醋酸高壓溶劑泵的主體材料為雙相鋼，蝸殼為2507，泵軸為2205。 泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為：揚(yáng)程H=197.8 m，流量Q=140 m3/h，額定轉(zhuǎn)速2 950 r/min，葉輪直徑392 mm，電機(jī)功率185 kW。 泵的現(xiàn)場(chǎng)操作條件見表1。

表1 泵的現(xiàn)場(chǎng)操作條件

2 斷軸故障原因分析

2.1 泵軸直徑的初步校核

懸臂離心泵發(fā)生軸斷裂故障，首先應(yīng)從泵軸的選材、結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，排除設(shè)計(jì)軸徑偏小的問題。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況可知，該離心泵的流量Q=60 m3/h，揚(yáng)程H=230 m，介質(zhì)密度ρ＝0.9883 kg/m3，該工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率η＝40%；計(jì)算可得消耗功率P消耗＝167.28 kW； 而根據(jù)額定功率可以計(jì)算得到泵軸所傳遞的扭矩為541.5 N·m， 從而得到軸徑d=39.9 mm， 實(shí)際泵軸葉輪安裝處直徑為46 mm，所以按照初步理論計(jì)算，泵軸的直徑是足夠的。

2.2 軸的強(qiáng)度校核

排除了設(shè)計(jì)軸徑偏小的可能性后，從受力角度來(lái)校核軸的強(qiáng)度是否滿足條件。 由軸的受力分析圖（圖1）可知，泵軸主要存在以下幾個(gè)主要受力：

圖1 軸的受力分析

a. 由于葉輪前后蓋板不對(duì)稱引起的軸向力F軸；

b. 由葉輪重力FG和葉輪外周壓力分布不均勻引起的水力徑向力F徑；

c. 電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器傳遞的扭矩Mn；

d. 軸承的支撐力NA、NB和軸向力FA，此FA與F軸大小相等，方向相反。

其中，NA、NB、FA對(duì)軸的強(qiáng)度校核無(wú)作用。

G-607泵軸后期大多是從安裝葉輪的軸肩處斷裂，斷面處軸徑為46 mm，選取此截面為計(jì)算截面來(lái)校核軸的強(qiáng)度。 需要關(guān)注的應(yīng)力有：彎曲應(yīng)力σw、拉應(yīng)力σb、剪切應(yīng)力τ。

根據(jù)受力分析結(jié)果， 可計(jì)算出電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器傳遞的扭矩Mn=9550×PC/n， 其中，PC=1.2P，P=ρgQH/1000η。 經(jīng)計(jì)算，結(jié)合泵的性能曲線，可知泵在不同工況下的Mn（計(jì)算截面的扭矩）、τ的值（表2）。

表2 不同工況下泵的Mn、τ值

從表2可看出，泵軸的剪切應(yīng)力τ隨泵操作流量的增加而增加，但是即使是在工況1，大流量的的操作情況下， 直徑46 mm的泵軸其抗剪切應(yīng)力強(qiáng)度也是滿足要求的，所以導(dǎo)致泵軸斷裂的主要因素不是剪切應(yīng)力。

該泵為單級(jí)、單吸、徑流式葉輪，葉輪的輪轂上開有4個(gè)平衡孔，泵所受的軸向力為一定量，并不隨操作流量的變化而變化；同時(shí)從泵軸斷裂的故障現(xiàn)象判斷，故障原因不在于軸向力。 如果軸向力過(guò)大，必然導(dǎo)致推力軸承過(guò)度受力，其滾道與滾動(dòng)體應(yīng)存在非正常磨損，甚至軸承應(yīng)出現(xiàn)摩擦過(guò)熱現(xiàn)象，但每次故障解體后，泵的推力軸承均完好無(wú)損。 因此，泵軸向力導(dǎo)致斷軸故障的這一推測(cè)可以完全否定。

一般具有螺旋壓水室的離心泵，其壓水室結(jié)構(gòu)是根據(jù)設(shè)計(jì)流量設(shè)計(jì)的，此刻液體在葉輪周圍壓水室中速度和壓力是均勻且軸對(duì)稱的，理論上互相抵消，不存在軸向力。 但是，當(dāng)工作流量不在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)處時(shí)， 壓水室和葉輪的平衡被打破，破壞了壓力的均勻、軸對(duì)稱分布，產(chǎn)生了徑向力。假設(shè)不考慮轉(zhuǎn)子不平衡量而引起的離心力，則徑向力F徑主要由葉輪重力FG和葉輪外周壓力分布不均勻引起的水力徑向力F水組成。

泵軸所受的徑向力與泵的操作流量成反比，與泵的揚(yáng)程成正比，同樣彎矩M徑w、總彎矩M和彎曲應(yīng)力σw均與泵的操作流量成反比，與泵的揚(yáng)程成正比。 也就是說(shuō)，彎曲應(yīng)力σw隨操作流量的降低而增加，隨著揚(yáng)程的增加而增加。 而目前，G1-607B，G2-607A這兩臺(tái)泵的操作流量均只有額定流量的一半不到，出口壓力為2.3 MPa，這樣必然會(huì)使泵軸彎曲應(yīng)力σw大幅增加，導(dǎo)致2205泵軸的疲勞強(qiáng)度不夠。

2.3 軸的斷口分析

觀察軸的斷裂部位可知，起初大多斷裂部位處于軸頭安裝葉輪螺母的螺紋根部，在加大了此處的直徑后， 斷裂部位轉(zhuǎn)移到安裝葉輪的軸肩處，軸肩與葉輪輪轂端面接觸，起到軸向定位的作用，而其轉(zhuǎn)角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域；有數(shù)次斷裂部位處于葉輪安裝鍵槽處，斷口呈腐蝕剝落狀；觀察斷口宏觀形狀可見，斷面平齊，或有稍稍突起，基本與軸線垂直，無(wú)明顯的塑性變形，說(shuō)明是脆性斷口。

2.4 故障原因綜合評(píng)判

根據(jù)以上分析， 判斷發(fā)生斷軸故障的原因?yàn)椋?/p>

a. 由于彎矩、扭矩的作用，軸表面應(yīng)力最大，軸肩處由于斷面形狀變化存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，軸肩過(guò)渡退刀槽處較為薄弱的某點(diǎn)成為疲勞裂紋源，在葉輪的離心力作用下，裂紋逐漸擴(kuò)大，使得受力面積減小，當(dāng)受力面積小于最小承載截面積時(shí)，將發(fā)生瞬時(shí)脆斷。

b. 由鍵槽處斷口呈腐蝕剝落狀可以推測(cè)，此處可能存在縫隙腐蝕。 縫隙腐蝕亦稱間隙腐蝕，是腐蝕性介質(zhì)中金屬材料的縫隙和其他隱蔽部位經(jīng)常發(fā)生的嚴(yán)重局部腐蝕之一。 當(dāng)金屬與金屬之間或金屬與非金屬之間存在縫隙時(shí)，縫隙內(nèi)外的氧濃度和電解質(zhì)溶液組成常有差異，并且還伴有自催化作用。 由此形成活化-鈍化電池或濃差電池后，更加劇陽(yáng)極區(qū)（縫隙內(nèi)部）的腐蝕。 而由于此懸臂離心泵的葉輪裝配結(jié)構(gòu)使得葉輪安裝孔與泵軸之間有介質(zhì)（99%醋酸）滲入，因此，此處容易出現(xiàn)嚴(yán)重的縫隙腐蝕，而且鍵槽又是扭矩的傳遞點(diǎn)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，一旦材料被腐蝕，必然首先出現(xiàn)損壞。

c. 轉(zhuǎn)子不平衡是導(dǎo)致泵徑向力加大的原因之一，因此轉(zhuǎn)子的不平衡問題同樣要引起重視。

泵轉(zhuǎn)子不平衡的原因大致如下：

a. 由于泵軸頭斷裂，加大拆卸難度。 通常的拆卸方法是將葉輪及其斷軸頭一同放置在壓床上，使用液壓工具將斷軸壓出。 而由于斷裂的軸通常產(chǎn)生一些金屬顆粒存在于葉輪安裝孔與軸頸的間隙之間，當(dāng)將軸頭大力壓出時(shí)，存在于其中的金屬顆粒必然會(huì)將葉輪內(nèi)孔刮傷。 出現(xiàn)此現(xiàn)象后，通常是用銼刀對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行修磨，這樣必然會(huì)導(dǎo)致葉輪內(nèi)孔失圓， 造成其與軸頸配合不均勻，同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的不平衡。

b. 葉輪口環(huán)的磨損。每次故障停車均是由泵軸斷裂造成，由于泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在泵軸斷裂的一瞬間，因慣性的存在，葉輪脫離泵軸后仍有旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，致使葉輪的口環(huán)和泵殼之間產(chǎn)生摩擦并導(dǎo)致口環(huán)嚴(yán)重磨損。 而通常的做法是將舊口環(huán)拆除，重新加工口環(huán)鑲裝，這樣必然導(dǎo)致葉輪不平衡的存在。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)斷軸故障的原因分析，提出以下改進(jìn)措施：

a. 工藝改進(jìn)。 由于負(fù)荷低，泵基本不在其設(shè)計(jì)工作點(diǎn)運(yùn)行，工藝操作時(shí)可以打開回流旁通管路上的回流閥來(lái)調(diào)節(jié)流量，盡量讓泵運(yùn)行在額定工作點(diǎn)附近，減少?gòu)较蛄Α澗睾蛷澢鷳?yīng)力。

b. 加大軸頭葉輪鎖緊螺母處的螺紋直徑，由原來(lái)的M24×3改為現(xiàn)在的M27×3。

c. 將軸頭原退刀槽處改為圓角R=5 mm，使得軸階梯變徑處圓滑過(guò)渡，改善變徑處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

d. 轉(zhuǎn)子安裝前，首先檢查葉輪內(nèi)孔，如果內(nèi)孔有磨損刮傷，則用磨床加工修復(fù)葉輪內(nèi)孔（泵軸在此處的軸徑必須根據(jù)葉輪內(nèi)孔修復(fù)后的尺寸同時(shí)加大）， 如果葉輪口環(huán)磨損必須更換新的口環(huán)，再做靜平衡、裝上軸，鎖緊葉輪螺母，整個(gè)轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡，減少葉輪的動(dòng)不平衡重對(duì)泵軸徑向力、彎矩的影響。

e. 避免縫隙腐蝕，在葉輪鎖緊螺母處、葉輪背面和泵軸接觸處增加密封墊片，徹底阻隔介質(zhì)與泵軸。

4 結(jié)束語(yǔ)

醋酸高壓溶劑泵作為在PTA裝置中的重要設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)裝置來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，由于裝置特性，導(dǎo)致該泵工況條件比較復(fù)雜，對(duì)泵的結(jié)構(gòu)、檢修等要求均比較高。 筆者針對(duì)該懸臂離心泵斷軸事故頻發(fā)的現(xiàn)象，經(jīng)分析并實(shí)施改進(jìn)措施，改善泵的運(yùn)行條件，在設(shè)計(jì)時(shí)，加大泵軸結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的尺寸，倒角圓滑過(guò)渡；同時(shí)，每次檢修時(shí)， 設(shè)備檢修人員注意各處配合尺寸的檢查，尤其是葉輪內(nèi)孔的修復(fù)，經(jīng)過(guò)各方的努力，大幅延長(zhǎng)了泵軸的使用壽命。