石化裝置立式長軸泵的選用與設計

張國釗

(上海寰球石油化學工程有限公司，上海 200032)

立式長軸泵指需要3個或3個以上支承點的單根軸或多根軸組成的串聯軸系，它具有耐用、節能效率高、汽蝕性能好、占用空間小、啟動前不需要灌泵等優點，在石化裝置中多用于輸送含有氧化鐵皮、泥沙顆粒、油污的循環水或污水，使用介質溫度小于80℃，液固混合物中固體顆粒的體積含量不超過10%［1-2］.盡管立式長軸泵是一種定型產品，其設計理論比較成熟，但也會由于接軸部件及導軸承的選用不當，或者在安裝及制造中存在著偏差，而導致泵軸在運行中發生振動，若振動嚴重超標，不僅會造成噪音大，而且能嚴重損壞零部件并導致設備的破壞.本文從泵接軸結構分析、滑動軸承及其材料選擇、沖洗管線設置、安裝和制造質量等方面對立式長軸泵的選用和設計進行分析，為合理選用立式長軸泵提供借鑒.

1 立式長軸泵結構

立式長軸泵的結構如圖1所示，主要由電機、聯軸器、底座、接軸部件、泵軸(包括電機軸、葉輪軸和中間軸)、支承管、出口管、沖洗管、泵體、泵蓋、葉輪、濾網等組成.

圖1 立式長軸泵結構簡圖Fig.1 Structure diagram of the vertical long shaft pump

根據工藝裝置的要求，泵具有不同的插入深度以適應不同的吸上高度，而最大深度高達十幾米，因此，采用一根軸是不現實的，必須由幾根軸通過接軸部件進行聯接.

2 接軸部件結構分析

接軸設計是立式長軸泵軸系設計的重要組成部分.其作用是連接上下兩軸，實現扭矩傳遞.接軸的方法［3-6］很多，常用的接軸結構有套筒式、夾殼式和錐套式.各種接軸部件的結構及特點見表1所示.

表1 接軸部件的結構及特點Table 1 Structure and characteristics of shaft connection

套筒式接軸結構通過鍵傳遞扭矩，分半式結構的定位環和上、下接軸進行配合，實現兩軸定位，承擔軸向載荷.當輸送不潔或易結晶介質時，由于介質的進入可能造成維修時套筒拆卸困難，故此條件下應謹慎使用.夾殼式接軸結構與套筒式接軸結構類似，均以鍵傳遞扭矩，區別在于套筒式接軸結構的套筒為整體結構，而夾殼式接軸結構的聯軸套是兩個分半的夾殼，用螺栓進行聯接.由于零件裝配后原有的組件平衡精度可能會發生偏移，泵高速旋轉情況下需加以注意.錐套式接軸結構使用鍵傳遞扭矩，軸的徑向和軸向定位均通過內錐套來實現.在外錐套端面加工有與內錐套通孔對應的螺紋孔.裝配時擰緊螺栓，使外錐套擠壓內錐套，內錐套壓緊上、下接軸的軸頸，從而實現徑向定位［7］.

不同的接軸結構有不同的優缺點，在應用中，應根據實際情況，對各種接軸結構綜合分析，以選出最合理、最經濟的結構.

3 立式長軸泵導軸承的選用

滑動軸承承擔泵在運轉過程中產生的大部分徑向載荷，限制軸系的徑向自由度，減小泵的振動和機械損失.據統計，93%的立式長軸泵故障是滑動軸承過度磨損造成的.滑動軸承磨損后，軸承間隙放大，直接導致葉輪和泵體密封環發生對磨，使轉子軸系不平衡量增大，軸撓性變大甚至彎曲，振動、噪聲超標，葉輪口環發生研磨，最終泵發生故障［8-9］.因此，滑動軸承是立式長軸泵可靠性和運行壽命的主要控制因素.

立式長軸泵的導軸承通常使用多個間隔的滑動軸承.按潤滑液的不同，滑動軸承分為油潤滑軸承和水潤滑軸承.油潤滑軸承雖具有承載力高、可靠性高、運行壽命長等優點，但造價高，運行維護較麻煩，需耗費大量油料和貴重有色金屬.隨著對水潤滑軸承的不斷研究，水潤滑軸承的優越性得到了更多的體現，且水具有無污染、來源廣泛、安全、難燃等特性，油潤滑軸承將會逐漸被水潤滑軸承取代［10］.

3.1 滑動軸承間距的布置

合理選擇滑動軸承之間的距離，對設備的可靠運行至關重要.如果此距離過大，會造成泵運行不平穩、振動大、噪聲大等問題;若此距離過小，軸的支撐點設置就會增多，徑向滑動軸承的數量就要增多.由于安裝偏差或制造偏差，往往裝配后可能出現盤車困難，偏磨損嚴重.雖然有些研究學者根據實踐總結出一套計算軸承間距的方法［4］，但由于軸承支撐剛度難以計算準確，工程中通常按照標準API610中的圖32［11］來確定滑動軸承之間的距離.

3.2 滑動軸承材料的選用

水潤滑滑動軸承的材料很多，如鐵梨木、塑料、賽龍、彈塑瓦、橡膠、陶瓷、石墨等，其性能和使用效果不一［12-16］.陶瓷、石墨是適用較廣的立式長軸泵滑動軸承制作材料.

典型的陶瓷材料是碳化硅，它具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕、抗氧化以及高溫蠕變小等優點.在石化裝置，污水中通常含有固體顆粒，這些顆粒會隨著污水進入立式泵滑動軸承的間隙，使軸承產生嚴重的磨粒磨損，縮短軸承的使用壽命.含砂水磨實驗表明，碳化硅摩擦副在砂水潤滑條件下的摩擦因數較低，約為0.05～0.13，磨損量是石墨、橡膠、青銅等材料無法比擬的，表明碳化硅軸承對固體顆粒物的磨粒磨損有較好的適應性［17］.但碳化硅的熱膨脹系數較小，高溫條件下，由于膨脹不均，碳化硅材料的軸套和軸襯會同與之配合的金屬件間發生嚴重的松脫和脹緊現象，嚴重時軸套會被脹裂，軸承失去功能.

石墨具有自潤滑性、力學性能及加工特性良好的特點，因而石墨軸承在清潔介質條件下得到了廣泛應用.石墨種類較多，工程應用效果較好的是浸漬石墨.浸漬石墨是以純石墨為基體，通過浸漬某種材料填充基體空隙來改善石墨的力學性能.立式長軸泵軸承使用較多的石墨材料是呋喃石墨、酚醛石墨.呋喃石墨的抗酸性和抗堿性比較優越，抗腐蝕能力較強;酚醛石墨的抗酸性較好，抗堿性稍差［18-19］.石墨軸承耐磨粒磨損的能力較差，應避免固體顆粒物進入軸承.

用于污染雨水池、含油污水池、生活污水池中的立式長軸泵，若過濾裝置能夠保證介質中的固體顆粒無法進入泵中，則可選用石墨作為泵滑動軸承的材料，煤化工裝置中的立式硫磺泵的滑動軸承也常采用石墨材料制作.若介質中的固體顆粒無法過濾干凈，就只能選用耐磨性較好的碳化硅作為軸承材料，以防止顆粒進入滑動軸承而損壞軸承.

3.3 沖洗管線的設置

立式長軸泵在運轉過程中，滑動軸承和軸套摩擦會產生大量的熱，必須對滑動軸承進行充分的冷卻和潤滑.立式長軸泵通常有兩種沖洗方式:自沖洗和外沖洗(見圖1).當輸送介質不含固體顆粒時可采用自沖洗方式，它是用被輸送的清潔介質作為沖洗液，由泵出口管引出，經豎直向上的沖洗管路引向各個滑動軸承潤滑孔，進而對滑動軸承進行冷卻和潤滑.但自沖洗會分流部分出口流量，為了滿足工藝要求的出口流量，必須在大于額定點的流量外運轉，因此揚程有所降低，效率降低.如果介質中含有固體顆粒，必須采用外沖洗方式，外沖洗方式通常用引自系統外的清潔水作為沖洗液.

滑動軸承的冷卻和潤滑系統分為串聯供水系統和并聯供水系統.串聯供水系統是從泵上部填料函處接入沖洗液，順支承管內依次往下流入到最后一個導軸承，最后從葉輪平衡孔或支承管的溢流口流出.冷卻和潤滑路線較長，沖洗液到達最后一個導軸承時，水溫已上升較高，其冷卻和潤滑效果不好.所以，最好采取并聯供水的方式(如圖1)，對每個軸承單獨供水，確保冷卻和潤滑效果.

正確計算或選擇沖洗液的壓力和流量可確保滑動軸承的良好潤滑.過大的冷卻和潤滑量可以滿足滑動軸承工作的需要，但要犧牲泵的容積效率;過小冷卻和潤滑量則會引起滑動軸承異常的磨損和溫升，摩擦面被迅速地破壞，軸系的支承作用降低，其后果是滑動軸承損壞，軸撓性變大甚至彎曲，最終泵發生故障.通常沖洗液的壓力為 0.2 ～0.4 MPa，流量為 0.3 ～0.6 m3/h［20］.沖洗液壓力和用量的計算與選擇可參考文獻［21-23］.

4 安裝與制造質量分析

立式長軸泵安裝質量和制造質量出現問題，將導致泵體振動超標.工程中最常見的泵體振動原因多數是由安裝和制造質量沒滿足要求引起.

4.1 安裝質量分析

立式長軸泵安裝時底座未找平找正、泵軸和電機軸未達到同軸度要求、管道配置不合理產生應力變形、葉輪流道內存有夾雜物、地基或地腳螺栓不夠牢固等，都將導致泵振動［24］.

(1)立式長軸泵安裝時底座未找平找正.如果安裝時底座未找平找正，轉子軸線與基礎無法垂直，只要泵體有較小的振動，振動就會通過長軸傳遞到操作平臺處，振動就會被放大.因此底座找平找正時，墊鐵應選好著力點，基礎螺栓附近至少應有一組墊鐵，在接縫處兩側也應各墊一組墊鐵，同一處墊鐵的數量最好不要多于3塊，且對稱布置.如墊鐵放置不當，預緊地腳螺栓時可能引起底座變形.

(2)泵軸和電機軸未達到同軸度要求.校正泵軸與電機軸時，應從上下和左右方向分別校正.兩聯軸器之間應留有所要求的間隙以保證兩軸在運轉過程中做限定的軸向運動.

(3)管道配置不合理產生應力變形.管道配置時應盡可能避免由裝配應力、變形應力和管道閥門的重量而引起的附加外力和力矩作用到泵體上.管路與泵連接后不得再在其上進行焊接與氣割，泵與管路連接后應復核找正情況［25］.

(4)葉輪流道內存有夾雜物.吸入口吸入雜質會堵塞一部分流道，葉輪與蝸殼的摩擦損失加大，電機輸出扭矩將會增大，從而使振動加劇.可在吸入端增加濾網，開孔大小適當，既有效地防止大顆粒雜質進入泵內損壞泵，同時又最大限度地減少進口損失，提高水泵效率.

4.2 制造質量分析

立式長軸泵中所有回轉部件的同軸度超差、葉輪和泵軸質量粗糙，都有可能導致泵產生振動［26］.

(1)同軸度失調引起振動.同軸度包括泵的所有回轉部件，如泵軸、聯軸器、葉輪等，這些都需要機加工的精度來保證.因此，制造回轉部件的同軸度應達到標準規定的要求.

(2)葉輪及泵軸精度不滿足相關標準引起振動.泵軸的表面粗糙度、泵軸的熱處理質量、葉輪的過流面粗糙度等不符合要求或材質分布不均都將引起振動.制造葉輪和泵軸的精度及表面粗糙度、軸的熱處理質量等都應符合標準.

5 結論

(1)在立式長軸泵的選用與設計過程中，接軸非常重要，它直接影響泵運轉的平穩性和可靠性.接軸方法很多，常用的接軸結構主要有套筒式、夾殼式和錐套式.石化裝置中使用較多的是套筒式接軸結構.不同的接軸結構有不同的優缺點，應根據自身實際加工和制作水平綜合選擇出最為經濟合理的一種接軸方式進行配套使用.

(2)導軸承材料的選擇、導軸承間距的選擇及沖洗管線的合理配置是保證泵運行可靠的關鍵.如果條件允許，最好采用外沖洗液對軸承進行沖洗.沖洗液的用量是一個優化的數值，需合理選用.

(3)立式長軸泵的安裝和制造質量也是影響泵可靠運行的重要因素，應嚴格遵循各種安裝和制造標準，確保安裝和制造質量.

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