屏蔽泵石墨軸承失效原因分析

張 健

作者通聯：吉林石化公司有機合成廠丁苯橡膠車間 吉林吉林市龍潭區遵義東路7號 132021

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一、屏蔽泵的結構原理與特點

屏蔽泵的電機和泵構成一個整體，定子的內表面和轉子的外表面有非導磁性的耐腐蝕金屬薄板密封焊接，使定子繞組和轉子鐵芯與輸送液體完全隔開，不會受到輸送液的浸蝕。另外，葉輪與轉子裝在一根軸上，由電機前后2個軸承支撐。整個轉子體浸沒在輸送液中，液部與外界沒有貫通的轉動零部件，因而是一種無泄漏結構（圖1）。

圖1 屏蔽泵結構示意圖

1.屏蔽泵的優點

（1）輸送液體不會泄漏，適合于輸送對人體有害的、強腐蝕性的、易燃、易爆的、昂貴的、有放射性的液體。

（2）不會從外界吸入空氣或其他東西，適合于真空系統的運行和一接觸外界空氣就變質的場合。不需要注入潤滑液和密封液，既省去了注油的麻煩，也不會污染輸送液。

（3）適合輸送高溫、高壓、超低溫、高熔點液體，這是有軸密封的泵難以輸送的。

（4）電機與泵一體，采用積木式結構，非常緊湊，所以體積小、重量輕、占地面積小，在安裝方面無須熟練技術。因無冷卻電機風扇，所以運轉聲音很小。主要維護只是更換軸承，運行成本低。

2.屏蔽泵的缺點

（1）由于屏蔽泵采用滑動軸承，且用被輸送的介質來潤滑，故潤滑性差的介質不宜采用屏蔽泵輸送。一般適合屏蔽泵輸送的介質的黏度為0.1～20mPa·s

（2）屏蔽泵的效率通常低于單端面機械密封離心泵，而與雙端面機械密封離心泵大致相當。

（3）長時間在小流量情況下運轉，屏蔽泵效率較低，會導致發熱使液體蒸發而造成泵干轉，從而損壞滑動軸承。

二、屏蔽泵使用中存在的問題

丁苯橡膠車間所用屏蔽泵，主要輸送丁二烯。丁二烯為具有微弱芳香氣味的無色氣體，易液化。沸點-4.41℃，相對密度0.6211（20/4℃），凝固點-108.91℃，閃點＜-6℃，折射率nD（-25℃）1.4292。臨界溫度152℃，臨界壓力4326.58kPa，臨界密度0.245g/cm3。屏蔽泵2008～2012年共出現故障18次，更換石墨軸承24個、葉輪1件，轉子軸2根，更換軸承監視器12個，其他部件損壞較少。

泵振動(振動值＞6.5mm/s)增加后，后端軸承部位有異響，軸承監視器指針到紅區。拆檢機泵，發現后端石墨軸承磨損嚴重，摩擦面上有較深的溝痕，軸套和止推盤有不同程度的磨損。

（2）泵過載跳閘，軸承監測器指向紅色報警。拆檢發現前、后石墨軸承有不同程度的破碎。

（3）泵體振動劇烈，出口壓力波動較大，入口管線有雜音，調整出口閥門開度后稍有緩和，工作狀況介質溫度稍高，出口壓力不穩定。觀察運行兩天后，軸承監測器指向紅區報警，拆檢發現屏蔽泵前后石墨軸承有不同程度的破裂，止推盤有磨損，表面因過熱變藍。

（4）2010年7月丁二烯輸送泵P-102A切換后發現泵體溫度36℃，遠遠高出物料溫度19℃，拆檢發現轉動零部件均正常，處理平衡管時發現管內存有丁二烯聚合物，反向平衡管基本堵塞。疏通后試泵，運行正常。

（5）操作失誤，操作條件不符合屏蔽泵的運行條件，造成屏蔽泵軸承失效。一次丁苯橡膠車間停車檢修后開車時，丁二烯混合輸送泵P-101A發生氣蝕現象。開車時，P-101A泵出口壓力0.45MPa，沒有流量，泵頭以及管線有雜音，明顯氣蝕現象。停泵進行排氣操作，點車啟泵，但還是發生氣蝕現象。檢查丁二烯儲存罐液位及壓力，400m3球罐液位為21%，壓力0.19MPa，判斷為球罐液位和壓力低，造成丁二烯物料汽化。進行倒料操作，使球罐液位升高，當液位為35%，壓力0.28MPa時啟泵，出口壓力為0.8MPa，流量達到12.9m3/h，滿足生產需要。屏蔽泵氣蝕原因是泵入口壓力低，造成丁二烯沒有進泵時就氣化了。

另一次P-101A泵振動大，軸承監視器指針到紅區，對該泵拆檢，發現石墨軸承損壞，同時在屏蔽泵尾部軸承與軸承監視器間發現長20mm螺栓一個，螺栓已經磨圓，判斷軸承損壞是因泵掉入螺栓，顯然是檢修期間丁二烯儲罐沒有清理干凈，造成泵吸入雜物，使屏蔽泵軸承損壞。

從泵的失效形式可以看出，屏蔽泵故障主要是石墨軸承的損壞，轉子軸和葉輪的損壞也大多是因為石墨軸承的損壞引起的，而石墨軸承損壞的主要形式為磨損和破裂。

三、石墨軸承失效原因分析

1.磨損損壞

磨損破壞的軸承有12個，引起磨損破壞的主要原因是磨料磨損和腐蝕磨損。通過對工藝流程檢查分析，磨料來自工作介質，主要由兩部分組成，一是丁二烯儲存罐的材料為16MnR，介質已經運行30年，腐蝕老化嚴重，產生大量鐵銹，并隨工作介質進入機泵。二是由于回收丁二烯中帶有堿顆粒以及部分TBC阻聚劑顆粒，這些小顆粒隨丁二烯進入泵體以及石墨軸承引起摩擦面表面擦傷，嚴重者出現條痕和溝槽，產生的新磨屑殘留在摩擦面上，形成新磨料，使磨損情況加劇，最后導致石墨軸承的摩擦面磨損失效。

另外，由于丁二烯中帶有部分堿，可以溶解和腐蝕石墨中浸漬的樹脂。浸漬樹脂從石墨中解析出來，影響了石墨軸承摩擦表面的致密度，軸承耐磨性降低。針對丁二烯物料中含有堿以及TBC阻聚劑的問題，應該考慮浸潤巴氏合金的石墨軸承，以提高耐腐蝕性和耐磨性。

2.破裂損壞

破碎損壞的軸承有4個，這種損壞主要是軸承受熱后再急劇降溫所致。屏蔽泵的冷卻和潤滑是用泵出口的介質，壓力為0.8MPa，通過循環液管從前石墨軸承的尾部進入前端石墨軸承座腔，再從前端軸承的內表面螺旋線槽進入軸承潤滑面，形成潤滑流動液膜，并帶走軸承產生的熱量。從前端軸承推力端面的螺旋槽流出后，再順著定子和轉子之間微小的間隙到達后端軸承，從后端軸承推力端面的螺旋槽進入后軸承內表面的螺旋槽，最后從后部的循環液出口返回葉輪吸入口，形成泵的整個潤滑冷卻循環。

在運行中如果丁二烯液位及儲罐內壓力低，會導致泵入口壓力低，工作介質丁二烯就在泵的吸入口負壓區汽化，形成氣液混合物，使泵內部呈半抽空或者抽空狀態，使得石墨軸承得不到很好的潤滑和冷卻，一方面軸承與軸套、軸承與止推墊片之間的流動液膜遭到破壞。另一方面，軸承產生的熱量帶不走，石墨軸承的溫度快速升高，使得石墨軸承的韌性大大降低，并且泵氣蝕后，運轉噪聲和振動增大并產生水擊現象，引起石墨軸承載荷周期性變化。石墨軸承在邊界摩擦和周期性沖擊載荷兩方面的作用下，轉子軸隨之前后竄動，最終導致石墨軸承表面破壞。

3.炸裂損壞

這種損壞的軸承有4個，損壞原因多是因泵抽空或回液管堵塞時，由于丁二烯比較容易自聚，產生的自聚物堵塞泵入口過濾器以及泵反沖洗管線，機泵不能通過物料的自身循環冷卻轉子軸和石墨軸承等轉動件，使摩擦表面在無潤滑、無冷卻的干摩擦狀況下運行，導致軸承摩擦表面溫度急劇升高、膨脹變形，一旦遇到恢復較冷的循環液體時，高溫表面受到冷卻，快速收縮，導致石墨軸承內外收縮速度不同，引起石墨軸承表面開裂，形成如同炸裂的徑向裂紋，此時的表面極易脫落。造成泵抽空，一是因管線堵塞，泵入口過濾器堵塞或氣阻，二是人為誤操作所致。

四、改進措施

（1）為防止顆粒雜質進入機泵，將泵入口管道過濾器的濾網改為100目的過濾網，并對過濾器每個月清洗、檢查一次。

（2）每三個月對屏蔽泵的循環冷卻管進行檢查、拆檢、清洗一次，保證對軸承的潤滑冷卻及電機的冷卻，每季度對泵體電機循環水系統拆清一次，處理堵塞部位，保證有足夠的冷量對泵體冷卻。

（3）制定嚴格的丁二烯屏蔽泵操作規程，加強巡檢，強化操作培訓，加大考核力度。嚴格按照機泵的操作規程操作。啟動前要詳細檢查屏蔽泵出入口狀態，排凈泵腔內的氣體，使泵內充滿液體。運行中嚴格控制丁二烯儲罐內液位，應＞35%，防止工作介質中的丁二烯汽化。嚴禁機泵抽空，杜絕在任何情況下機泵的空運轉。

五、結論

通過對丁二烯屏蔽泵使用過程中遇到的一些問題，如泵過熱、異常振動、氣蝕等進行分析，在使用及維護中采取相應措施，如定期清洗泵入口過濾器、疏通反向循環管、疏通泵體冷卻水管線、加強巡檢、加強檢修質量管理等，問題基本得到解決，現在丁二烯屏蔽泵運行周期為1.8年。