多級離心泵故障分析及處理措施

摘要：導致大型機泵產生振動的因素有很多，而振動是評價大型機泵能否安全可靠性運行的重要指標。本文針對某型號的大型多級離心泵在運行期間出現振動超標、機械密封泄漏等問題進行分析，并結合現場實際工況，找出導致泵振動的原因有現場操作不當和泵進口過濾器設計選型不當，介質內部分漂珠以及硬質顆粒導致泵轉子內部摩擦副部件過度磨損，最終導致泵轉子振動和機械密封泄漏。通過對泵入口過濾器進行重新選型和改造，對機械密封進行重新設計，對泵轉子摩擦副材質進行重新選材和更換，對泵轉子支撐摩擦副進行技改和對水質系統的改善，有效地解決了泵的振動故障問題，保障了化工系統的連續穩定運行。

關鍵詞：機泵；振動；措施

1. 多級離心泵故障情況介紹

高溫熱水泵為臥式雙支撐水平剖分多級離心泵(型號：SCSK300-85×9)，功率900kW，揚程880m，入口壓力0.9MPa，出口壓力8.5MPa，介質為170°C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臺高溫熱水泵在投運初期狀況良好，但運行3個月后泵相繼出現轉子振動值逐步上漲、兩端機械密封頻繁泄漏、止推軸承溫度上漲等問題。根據現場檢修統計，3個月內6臺泵轉子振動值從最初的2.0mm/s以下逐步上漲至超過21mm/s，非驅動側止推軸承溫度從最初的40°C逐步上漲至90°C，在后續1個月期間兩側機械密封相繼出現8次泄漏故障。

2. 泵故障原因分析

2.1 泵入口過濾器設計缺陷

為了有效隔離管道系統中的顆粒，泵入口設計了T型過濾器(型號：SRT-1-350/2.0)，濾網為30目不銹鋼絲網。泵的轉子摩擦副口環間隙為0.42~0.5mm，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]。為了防止顆粒物進入系統磨損轉子摩擦副，要求濾網過濾顆粒直徑不大于摩擦副間隙即0.42mm，根據SH/T3411—2017《石油化工泵用過濾器選用、驗收規范》[2]內不銹鋼絲網參數表(見表1)數查閱，對應的絲網目數應該為40，但設計時為了避免濾網頻繁堵塞導致泵抽空，選擇了30目濾網。

由表1查得DN350正折流T型過濾器有效面積30目濾網對應有效過濾面積為0.3253m2。而DN350管道的總截面過流面積為：S=πR2=3.14×(0.35/2)2=0.0962m2，則過濾器有效過濾面積與入口管道過流截面積比值為：i=0.3253/0.0962=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械加工制造，該泵的泵體密封環和葉輪密封環采用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，該鋼機械加工性能好，經熱處理(表面淬火)后，具有優良的耐腐蝕性能。

泵在運行期間，灰水介質內高速流動的漂珠硬質顆粒導致泵轉子摩擦副快速磨損，轉子口環摩擦副實際運行工況嚴重偏離了設計指標[3]。3Cr13配合1Cr13MoS的摩擦副材料不耐磨的缺陷充分暴露，導致轉子摩擦副迅速磨損，間隙增大。而在轉子中部的節流襯套由于處于壓差最大的位置，摩擦副內部顆粒流速最高，所以磨損更為明顯，在失去中間節流襯套的支撐固定后，轉子出現大幅度振動。

2.3 泵機械密封設計存在缺陷

該泵密封冷卻系統采用了API682標準中Plan32的沖洗方案，采用外供1.5MPa冷卻水沖洗方式對機械密封進行沖洗、冷卻和潤滑。

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

由于泵在運行初期入口濾網拆卸，介質內的顆粒導致泵轉子各級摩擦磨損嚴重，泵軸端節流襯套節流效果不佳，導致平衡管來不及泄壓平衡，機械密封腔內失去平衡，密封腔內壓力隨著軸端節流襯套的磨損壓力逐步升高，最終導致1.5MPa的密封水無法順利進入。機械密封腔內介質反竄污染密封腔，機械密封摩擦副得不到良好的潤滑，長期在帶硬顆粒的介質內運行后端面磨損嚴重，最終頻繁出現泄漏情況[4]。

2.4 灰水水質問題

由于系統運行期間氣化煤種的參配，導致灰水系統出現大量漂珠。漂珠的主要化學成分是二氧化硅、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，當泵入口過濾器拆卸后，大量漂珠進入對泵的口環以及摩擦副過流部件磨損極大，最終導致泵摩擦副失去對轉子的支撐作用而振動加大。

總結以上問題，首先是氣化系統更換煤種，導致灰水系統中產生大量硬質顆粒的漂珠，隨后高溫熱水泵入口濾網由于設計過流面積太小，在實際運行中由于垢片堵塞而拆卸。泵入口濾網拆卸后介質內大量硬質漂珠顆粒進入泵體內，導致泵密封環及節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生彎曲，泵軸彎曲后更加加劇密封環、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。同時軸端節流襯套磨損后節流效果不好，機械密封腔失去平衡而壓力升高，導致密封沖洗水無法進入，機械密封摩擦副工況惡化頻繁損壞。以上各個環節環環相扣，最終導致高溫熱水泵存在諸多故障而無法運行。

3. 故障解決辦法及改進措施

3.1 重新設計入口過濾器

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

通過技改，將過濾器濾芯的長度延長至原長度的兩倍(原長800mm)，過濾器經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到0.6506m2(原過濾面積為0.3253m2)，實際有效過濾面積和管道的通流面積比值為：i=0.0.6506/0.0962=6.72。是原過濾器的通流比值的2倍。

3.2 改進轉子摩擦副材質

針對原轉子摩擦副材質不耐磨問題，我廠聯系泵制造廠家進行技改，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材質相比，司太立合金合金內部的鉻、鈷、鎢元素都有極高的硬度[5]，可以極大地提高口環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、耐高溫等優良性能，主要機械性能對比見表2。

單純的司太立合金難于機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械性能，又保證了摩擦副的高硬度耐磨損性能。

3.3 改進機械密封沖洗液分布方式

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

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

3.4 轉子的核心支撐摩擦副進行技改

在高溫熱水泵運行期間，由于轉子摩擦副磨損間隙增大，失去對轉子的徑向限制后轉子振動加大。在所有的摩擦副中對轉子徑向限制起關鍵作用的是驅動側和中間節流襯套摩擦副，尤其是中間節流襯套摩擦副，因為轉子中間位置是跳動和振動振幅最大位置。針對該情況，在驅動側和中間節流襯套摩擦副處增加干凈的密封沖洗水進行沖洗，要求改密封水為干凈密封水，同時要求其壓力比對應工作壓力點適當高，工作時密封水正向流向壓力低側進入介質系統(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制正向沖洗通道，阻止漂珠顆粒進入摩擦副內對摩擦副造成磨損，另一方面同系統灰水相比較，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，在該兩處節流襯套摩擦副外部也設置布水環，對應節流套本體增加6個φ8mm沖洗孔布水進入沖洗。經計算，中間節流襯套摩擦副位置處密封水要求流量為6.71m3/h，壓力為8.8MPa；驅動側節流襯套摩擦副位置處密封水流量為6.74m3/h，壓力為5.6MPa。

3.5 增加灰水漂珠收集系統

針對灰水系統內產生的大量漂珠，我廠及時采取措施，分別在灰水沉降槽頂部增設漂珠攔阻系統(簡要流程見圖3)。該道攔截為主要攔截，運行期間漂珠漂浮在槽內溢流堰液面擋圈內部，通過攪拌器攪拌旋轉后從漂珠收集管流出，在低壓灰水泵進出口增設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入灰水系統而磨損該泵的口環等過流部件。實踐證明該漂珠攔阻系統效果明顯，有效攔阻了灰水系統內的絕大部分漂珠，剩余的部分漂珠被該泵改進后的過濾器再次攔阻，從而高效地保證了該泵的介質潔凈程度，避免了該泵過流部件的磨損損壞[6-7]。

4. 結束語

導致多級離心泵振動等的因素很多，包括工藝條件和系統配置是否與泵及密封系統的設計相適。買方與泵供貨方對操作條件的充分溝通，在工藝和系統設計上采取必要的措施來滿足和改善泵的操作條件，在實際操作中應加強對泵操作條件的檢查，防止嚴重偏離預期工況運行，使泵組工況惡化，導致各種故障的發生。

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