往復泵泵閥失效的原因及改善措施研究

摘 要：往復泵依靠活塞、柱塞或隔膜在泵缸內往復運動使缸內工作容積交替增大和縮小來輸送液體或使之增壓的容積式泵。它在石油石化行業應用十分廣泛，常常在高壓環境下輸送大密度、高黏度以及高含砂量的液體。泵閥是往復泵液力端最易損壞的部件之一，它的運行狀態能直接影響著往復泵的容積效率和工作可靠性。文章重點就往復泵泵閥失效的原因進行了探究，最后提出了一些改善措施和建議。

關鍵詞：往復泵；泵閥失效；容積效率

往復泵作為機械設備領域的一部分，在我國石油化工等生產部門占有重要地位。往復泵液力端常見故障主要集中在泵閥和活塞上，隨著沖次和壓力的提高，對這些易損件的傷害也會大大增加，從而影響泵的正常工作。在三缸往復泵工作過程中，各種激勵相互耦合，加之其他噪聲的干擾問題，因此測得的振動信號成分十分復雜，信號中既有閥關閉、慣性載荷沖擊等造成的沖擊響應，又有各種隨機響應和干擾。如何排除干擾，正確提取泵閥故障特征，是進行往復泵監測診斷與故障機理研究的重要基礎。

1.泵閥的結構與機理

往復泵中所采用的泵閥的結構多種多樣，其中比較常用的一種是彈簧自動閥類中的錐形閥?；钊宰笙蛴乙苿訒r，泵缸內形成負壓，則貯槽內液體經吸入閥進入泵缸內。當活塞自右向左移動時，缸內液體受擠壓，壓力增大，由排出閥排出。活塞往復一次，各吸入和排出一次液體，稱為一個工作循環；這種泵稱為單動泵。若活塞往返一次，各吸入和排出兩次液體，稱為雙動泵。活塞由一端移至另一端，稱為一個沖程。往復泵的流量與壓頭理論上無關，與泵缸尺寸、活塞沖程及往復次數有關。單動泵的理論流量為 QT=Asn往復泵的實際流量比理論流量小，且隨著壓頭的增高而減小，這是因為漏失所致。往復泵的壓頭與泵的流量及泵的幾何尺寸無關，而由泵的機械強度、原動機的功率等因素決定。往復泵可獲得很高的排壓，且流量與壓力無關，吸入性能好，效率較高，其中蒸汽往復泵可達80%～95%；原則上可輸送任何介質，幾乎不受介質的物理或化學性質的限制；泵的性能不隨壓力和輸送介質粘度的變動而變動。其他的泵都不具有往復泵的上述突出優點，但它們的結構比較簡單，使用操作比較方便，而且還有體積小、重量輕，并能系列化批量生產的優點。

2.往復泵故障機理及失效原因

2.1往復泵故障機理

隨著活塞處漏水的加劇，吸入閥和排除閥壓力不穩定，閥盤和閥座的不良接觸導致密封不良，加快了閥盤磨損的速度，由于彈簧是連接在閥盤導向桿上的，閥盤撞擊的傾斜又會加快彈簧斷裂的速度。活塞漏水運行至泵閥發出異響。特征頻率主要集中在180Hz、50Hz、和400Hz。通過以上試驗，結合實際應用中泵閥故障的表現形式，很好地解釋了往復泵泵閥故障的萌生和演化的一般規律，初步揭示了泵閥的故障機理。隨著往復泵的繼續運行，泵閥響聲越來越大，壓力表的跳動幅度也增大，這是因為活塞磨損和閥盤磨損的加劇，往復泵容積效率和工作可靠性下降，閥盤撞擊閥座發生傾斜，由于彈簧是固定在閥盤的導向桿上，彈簧在沖擊力載荷作用下，載荷力發生偏心，使得彈簧斷裂形式由原來的疲勞斷裂，逐漸轉化為偏心載荷作用引起的過載斷裂，這大大縮短了彈簧的使用壽命。

2.2泵閥系統失效機理

密封圈的最終失效形式是材料剝落。剝落主要出現在密封圈的上部邊緣和下部與閥體相銜接的部位，但導致上部塊狀剝落和下部穴窩狀剝落的原因不同。上部塊狀剝落表現出的失效形式雖然仍是剝落，但其失效的根本原因卻是磨料磨損。從摩擦學的角度看，磨損是個動態過程，磨損機理是可以轉化的。人們往往只注意由于裂紋擴張導致的剝落，而忽視了裂紋萌生的原因。實際中，由于密封圈的密封面長度超出閥座的密封面長度，當閥正常工作時，超出的那一部分未參加正常磨損，這樣，隨著磨損的加劇，在兩者的邊界處就形成臺階。同時由于密封圈的正常磨損，泵閥的整體位置下降，使得臺階落在閥座上。當閥下落時，在沖擊載荷的作用下，在臺階的根部就會出現應力集中，導致周向裂紋萌生、擴展，直至產生剝落。此時密封圈雖然還未出現材料剝落，但是在原臺階的根部位置已出現嚴重的裂紋。

閥體在泵的工作中是主要的承力零件。閥體與閥座之間是靠密封圈來連接的。閥的密封圈一般是用橡膠來做成的，而我們一般考慮橡膠密封圈承受并傳遞壓力載荷，因此，每次泵閥的沖擊都將在閥體上出現壓力的作用，同時由于閥體的上部存在液體，所以，在其上面還有液體的壓力作用。另外，由于橡膠密封圈被磨損后厚度減薄，支撐架也將在閥體上產生集中應力。雖然這些力不很大，遠小于閥體的破壞應力，但由于泵閥是在作循環運動，甚至頻率很高，這樣在閥體上出現的將是循環應力。

3.泵閥系統改進措施

磨料磨損是密封圈上部邊緣塊狀材料剝落的根本原因。在使用中還發現閥橡膠厚度愈大，愈易損壞；而閥橡膠厚度較小時，不易損壞，但閥體金屬密封錐面易損壞。因此，合理選擇厚度是很重要的。另外，由于密封橡膠圈在工作中直接與工作液相接觸，工作液的腐蝕性對密封橡膠圈產生極大的影響，而且含有磨礪的液體對密封圈產生沖蝕破壞，因此，密封圈的改進也應在選材方面嚴格把關。疲勞磨損是泵閥閥體失效的主要原因。由于閥體的失效形式是疲勞破壞，所以，改進方法有如下幾種：一是選擇抗沖擊疲勞性能較好的材料；二是對泵閥的應力分布和變形規律進行分析，優化現有的泵閥結構參數，減少泵閥的質量，降低沖擊壓力；三是在加工過程中嚴格控制加工質量，防止應力集中的出現，對閥體表面要進行熱處理以延緩表面裂紋的出現，提高抗疲勞性。

4.結束語

綜上所述，泵閥的壽命關系到泵的使用性能，合理地提高泵閥的使用壽命，對提高泵的工作效率，節約泵的維修費用都具有重要意義。本文通過對泵閥系統的失效分析，提出對泵閥系統關鍵零部件的改進措施，并根據各自失效的特點分別采用不同的方法來提高其工作壽命，對實際問題的解決具有重要的指導意義。

參考文獻：

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