酸水泵軸頭斷裂分析及改進措施

王明旭 于海章 劉勇先

（遼陽石化分公司尼龍廠醇酮一車間 遼寧遼陽）

1.泵參數與結構

泵型號ECP40-200，機械密封DTM35。輸送介質中含有酸水。額定轉數2900 r/min，流量是4.8 m3/h，揚程56 m，電機功率7 kW，工作溫度60℃。泵采用3軸承懸臂支撐結構，7306軸承2架用于承受軸向力，6207軸承1架用于承受徑向力。葉輪形式為閉式葉輪，葉輪背面沒有用于平衡軸向力的副葉輪。過流部件的材料是Z8CNDT17.12，可以采用美標的316L替代。葉輪軸頭螺紋M12。國產的軸頭螺紋都有退刀槽結構。

2.故障

設備基本上是1個月更換1套機械密封，2個月更換1根軸及軸承等部件，軸的損壞形式都在軸頭根部退刀槽部位發生斷裂，軸套也經常更換，軸套的損壞形式是軸套與密封接觸部位磨損，導致機械密封泄漏。

3.原因分析

（1）軸頭受力分析及計算。正常情況下對軸頭部位進行受力分析，所承受葉輪對它的軸向力和葉輪螺母預緊力。葉輪軸向力由于入口側壓力與背面壓力不同和前后兩側液體密封泄漏不相同等因素，使葉輪兩側蓋板壓力分布也不相同，因此作用于后蓋板的壓力較大，必然產生一個指向入口的力稱為軸向力F1。同時液體流入葉輪入口從葉輪出口留出，液體流動速度大小和方向均發生變化，這個速度變化產生一種動反力F2，此力也是軸向力，但是方向于F1相反。兩個力的合力就是軸頭所受的軸向外力，如圖1所示。

經計算得（公式略）F1=1576.165 N；F2=0.22 N；軸向外力F=F1-F2=1575.945 N；經強度校核計算得許用應力為13.94 MPa，查316L不銹鋼在60℃時的許用應力為520 MPa，由此可見正常負載下實際應力低于其許用應力。

圖1 軸頭受力圖

（2）從軸頭斷裂的位置分析。泵軸斷裂的部位位于軸頭螺紋的退刀槽部位。該軸在加工過程中為了加工軸頭螺紋，一般是先加工退刀槽后再加工螺紋，容易造成應力集中，降低了軸的強度。

（3）工藝操作情況分析。由于泵的調節采用的是出口自控閥調節泵的實際流量，自控閥經常故障，導致泵流量經常不穩定，甚至有時泵處在出口閥關閉的情況下運行，之后又突然閥門大開，導致泵出口流量波動劇烈，葉輪軸向受力不穩定。同時泵振動增大，其中軸套的損壞就是最好的證據。

4.改進措施與效果

軸斷裂的位置在軸最細處是應力集中的位置并且還有退刀槽，故將軸頭螺紋增大到M16。為避免應力集中，加工螺紋時采用光滑過度，采用大圓角或不留退刀槽；在加工到螺紋最后幾個齒時，讓刀具緩慢推出等工藝措施。由于軸頭直徑發生變化，把葉輪的輪轂直徑也相應變大，葉輪重新做動平衡試驗，確保設備本身振動值符合要求。在設備改造的同時也要求工藝操作趨于平穩。

經過6個多月追蹤觀察，泵運行平穩，未再發生軸斷裂故障。現在降低了軸及軸承的更換頻率，同時機械密封每年少更換6套，每年可節省費用3.12萬元。