焦化高壓水泵故障分析及改進建議

張彥博 林 濤

（錦西石化分公司維修車間 遼寧葫蘆島）

型號270GTDCJ290×10高速除焦水泵，是一臺多級離心泵，軸向力的平衡主要是通過平衡鼓和平衡盤的聯合裝置來平衡，其中平衡盤與平衡座之間的軸向間隙變化平衡一部分軸向力，剩余的軸向力靠推力瓦來承擔。2011年11月，3#高壓水泵在開車過程中，軸向位移增大導致聯鎖停機，給車間生產帶來影響。

一、自動平衡盤平衡原理

在多級泵中，為適應軸向力的變化，自動調整軸向力的平衡，采用圖1所示的自動平衡盤裝置。在此裝置中末級葉輪后的壓力為p，液體流過徑向間隙b后壓力下降為p′，再經軸向間隙b0后的壓力變為p0。p0是平衡盤后的壓力，與泵入口連通，壓力稍高于泵入口壓力，基本不變化。通過徑向間隙b和軸向間隙b0的泄漏量q相同。平衡盤前后壓差（p′-p）與平衡盤工作面積的乘積是平衡力，其方向與軸向力方向相反。

圖1 自動平衡盤裝置

裝置自動平衡軸向力的原理與過程：當軸向力大于平衡力時，轉子向左移動，軸向間隙b0變小，泄漏量q也隨之變小，徑向間隙b中流速下降，使流過徑向間隙b的阻力變小，平衡盤前壓力p′上升，p′-p0值變大，故平衡力上升；當軸向力小于平衡力時，轉子向右移動，軸向間隙b0增大，隨之泄漏量q增大，在徑向間隙b中液體流速加大，其阻力損失增大，使平衡盤前壓力p′下降，平衡盤前后壓差p′-p0變小，平衡力變小。

二、故障現象及原因分析

1.故障現象

通過對3#高壓水泵的拆檢，主推力瓦磨損嚴重，測得平衡盤間隙為2 mm（標準為0.1～0.15 mm），大大超過標準值。初步判斷平衡盤跟平衡座端面相互研磨，導致平衡盤間隙變大，使得平衡軸向力的效果達不到要求。

拆檢發現，平衡盤端面磨損嚴重，整個端面都有明顯的磨損溝痕（圖2）；平衡座端面也有相應的磨損，并且出現幾處粘連現象（圖3）。

圖2 平衡盤端面磨損

2.故障原因分析

3#高壓水泵，承擔著焦化車間焦炭塔的除焦工作。泵的介質為除焦池回收的切焦水，含有一定量的焦粉，經過切焦水罐的沉淀作用，打到泵的入口管。

圖3 平衡座端面磨損

通過觀察平衡盤、平衡座的磨損狀況，判斷磨損不是瞬間研磨造成的，是長時間積累的結果。平衡盤和平衡座都有軸向端面跳動，平衡盤轉動一周，會在轉到某一角度時，局部出現軸向間隙的最大或最小值。隨著平衡盤徑向和軸向間隙的脈動，平衡盤的平衡狀態是動態的，泵的轉子在某一平衡位置也會前后作軸向脈動。工況點改變時，轉子會自動移到新的平衡位置作軸向脈動。

這種軸向端面跳動和軸向脈動疊加后，軸向間隙B（圖4）便具有局部的動態最大間隙Bmax和最小間隙Bmin。假設：一個固體K的焦粉顆粒直徑為Φ，已隨著液體到達平衡盤前面的高壓區，并且Bmax＞Φ＞Bmin，則固體K將被液體從軸向最大間隙b0max附近帶進平衡盤的軸向間隙之內。隨著泵的運轉，平衡盤就轉到軸向間隙B＜Φ的 位置，或者由于工況的波動，平衡盤正竄回到軸向間隙B＜Φ的位置。這時，平衡盤將對固體K產生擠壓，二者將發生相對運動。平衡盤端面會被固體K擠壓出凹痕，會被刮削出凹槽，直到固體K被研碎。

圖4 平衡鼓與平衡盤聯合裝置

如果這種規格的固體顆粒含量較高，不斷被帶進平衡盤軸向間隙，使平衡盤端面很快出現第一道環形溝槽。隨著磨蝕的繼續，相繼出現第二道溝槽、第三道溝槽……。盡管如此，這時泵軸的竄量還沒有發生明顯改變，取出平衡盤可以看到這些環狀溝槽大致是同心的，排列較整齊。與此同時，平衡座也出現相似的溝槽。

當另一個固體W的顆粒直徑為Φ＇，也到達平衡盤高壓區，并且Φ＇≥Bmax。則固體W將被擋在平衡盤的高壓區一側。此時，若大小不一的固體顆粒隨著液體不斷涌向平衡盤前面的高壓區，粒徑≤Φ的固體顆粒會隨著液流通過軸向間隙。粒徑≥Φ＇的固體顆粒會被隔在這里。稱這種現象為篩留現象，圖2圖3就能很好的說明這種現象的存在。如圖5所示，平衡鼓的徑向面被磨出了很深的溝槽，就是由于粒徑較大的顆粒聚集到這里，隨著軸的轉動，將平衡鼓磨損。

圖5 平衡鼓徑向面磨損情況

當被“篩留”的固體顆粒達到一定數量，并且堵在軸向間隙的入口處，造成平衡室內壓力降低，平衡力減小，這時軸向力較大，導致轉子由出口向入口移動，使軸向間隙瞬間變小，更加劇了平衡盤的磨損。

平衡盤磨損之后，為建立新的平衡，轉子不斷地向入口方向竄動，導致軸向推力間隙不斷的減小，承載的油膜厚度不斷變薄，油溫不斷升高，推力軸承不斷變熱，這種過程不斷持續下去，最終導致推力瓦磨損（圖6）。

3.結論

圖6 推力瓦磨損情況

3#高壓水泵在入口端配備過濾系統，過濾網為60目，計算得出允許通過焦粉顆粒的最大直徑在0.4 mm，而平衡盤軸向間隙標準在0.1～0.15 mm，平衡鼓的徑向間隙在0.45～0.55 mm。此時，若大小不一的焦粉顆粒隨著液體不斷涌向平衡盤前面的高壓區，粒徑為Φ≤0.15 mm的焦粉顆粒會隨著液流通過軸向間隙。當有0.55 mm＜Φ＇＞0.15 mm的焦粉顆粒隨著介質運動到平衡鼓徑向面時，將被擋在平衡鼓與平衡座的徑向間隙之間，這就是前面提到的“篩留現象”。經過長期的影響，平衡鼓的徑向面就會磨出很明顯的溝痕。

此泵受工藝條件的限制，每天運行3～4 h，停泵后不掃線，這些含有焦粉的介質就存在泵體內。泵停止運轉后，這些焦粉顆粒在底部位置沉淀、凝結在一起。當下次泵啟動的時候，這些凝結在一起的焦粉被平衡鼓圓周端面和平衡盤和平衡座端面擠壓，久而久之，造成了平衡盤端面跟平衡座端面的磨損，使平衡盤端面出現大致是同心的、排列較整齊的環狀溝槽。

綜上所述，判斷引起平衡鼓、平衡座、平衡盤以及推力瓦損壞的主要原因，是介質中含有焦粉所致。

4.改進建議

受工藝條件的限制，完全除掉介質中焦粉是不現實的，只能改善泵的運行環境。另外，從泵體結構上進行合理的技改，盡量避免焦粉對泵的影響。

建議設立多級沉降罐，讓切焦水中的焦粉充分沉淀，改善泵的運行環境。泵停止運行后，建議用清潔的循環水進行掃線，減少下次啟動時殘余焦粉對平衡鼓和平衡盤端面的磨損。重新計算設計平衡鼓結構，將平衡間隙放大，消除焦粉對泵的影響。