懸臂離心泵斷軸故障分析及解決方案

馬翔儀 劉 杰

（1.浙江逸盛石化有限公司；2.中國石油天然氣股份有限公司西北銷售分公司）

某公司PTA裝置中醋酸高壓溶劑泵（G-607）為進口的單級、單吸、懸臂式離心泵，公司共有兩套PTA裝置，每套裝置兩臺醋酸高壓溶劑泵，一開一備。 主要用于將D-601醋酸溶劑回收塔所回收的高濃度（99.9%）醋酸分配給各下游用戶。 該泵在運行時存在兩種工況，當氧化工段進行過濾機堿洗時，需要加大醋酸溶劑的用量，比日常工況下的流量加大一倍，運行條件苛刻。該泵在PTA裝置中極其重要，若發(fā)生故障檢修不及時，將會引起裝置母液系統(tǒng)不平衡，造成有機物夾帶進入裝置尾氣系統(tǒng)，從而進入尾氣膨脹機，導致整個裝置停車，甚至存在爆炸的風險。 另外，由于該泵輸送的介質為高濃度醋酸，每次檢修都會帶來環(huán)境污染，因此，有必要對該泵的斷軸故障進行原因分析，并提出有效的改進措施，確保其長期穩(wěn)定的運行。

1 設備現(xiàn)狀

2005年裝置正式投產，運行一年多，至2007年6月， 懸臂離心泵首次發(fā)生斷軸事故， 經(jīng)檢修后，重新投運，隨后斷軸事故頻繁發(fā)生，一直未能正常運行。 斷軸的位置主要在軸頭螺紋根部和葉輪安裝軸肩處。

醋酸高壓溶劑泵的主體材料為雙相鋼，蝸殼為2507，泵軸為2205。 泵的設計參數(shù)為：揚程H=197.8 m，流量Q=140 m3/h，額定轉速2 950 r/min，葉輪直徑392 mm，電機功率185 kW。 泵的現(xiàn)場操作條件見表1。

表1 泵的現(xiàn)場操作條件

2 斷軸故障原因分析

2.1 泵軸直徑的初步校核

懸臂離心泵發(fā)生軸斷裂故障，首先應從泵軸的選材、結構上進行分析，排除設計軸徑偏小的問題。

根據(jù)實際運行工況可知，該離心泵的流量Q=60 m3/h，揚程H=230 m，介質密度ρ＝0.9883 kg/m3，該工況點對應的效率η＝40%；計算可得消耗功率P消耗＝167.28 kW； 而根據(jù)額定功率可以計算得到泵軸所傳遞的扭矩為541.5 N·m， 從而得到軸徑d=39.9 mm， 實際泵軸葉輪安裝處直徑為46 mm，所以按照初步理論計算，泵軸的直徑是足夠的。

2.2 軸的強度校核

排除了設計軸徑偏小的可能性后，從受力角度來校核軸的強度是否滿足條件。 由軸的受力分析圖（圖1）可知，泵軸主要存在以下幾個主要受力：

圖1 軸的受力分析

a. 由于葉輪前后蓋板不對稱引起的軸向力F軸；

b. 由葉輪重力FG和葉輪外周壓力分布不均勻引起的水力徑向力F徑；

c. 電機通過聯(lián)軸器傳遞的扭矩Mn；

d. 軸承的支撐力NA、NB和軸向力FA，此FA與F軸大小相等，方向相反。

其中，NA、NB、FA對軸的強度校核無作用。

G-607泵軸后期大多是從安裝葉輪的軸肩處斷裂，斷面處軸徑為46 mm，選取此截面為計算截面來校核軸的強度。 需要關注的應力有：彎曲應力σw、拉應力σb、剪切應力τ。

根據(jù)受力分析結果， 可計算出電機通過聯(lián)軸器傳遞的扭矩Mn=9550×PC/n， 其中，PC=1.2P，P=ρgQH/1000η。 經(jīng)計算，結合泵的性能曲線，可知泵在不同工況下的Mn（計算截面的扭矩）、τ的值（表2）。

表2 不同工況下泵的Mn、τ值

從表2可看出，泵軸的剪切應力τ隨泵操作流量的增加而增加，但是即使是在工況1，大流量的的操作情況下， 直徑46 mm的泵軸其抗剪切應力強度也是滿足要求的，所以導致泵軸斷裂的主要因素不是剪切應力。

該泵為單級、單吸、徑流式葉輪，葉輪的輪轂上開有4個平衡孔，泵所受的軸向力為一定量，并不隨操作流量的變化而變化；同時從泵軸斷裂的故障現(xiàn)象判斷，故障原因不在于軸向力。 如果軸向力過大，必然導致推力軸承過度受力，其滾道與滾動體應存在非正常磨損，甚至軸承應出現(xiàn)摩擦過熱現(xiàn)象，但每次故障解體后，泵的推力軸承均完好無損。 因此，泵軸向力導致斷軸故障的這一推測可以完全否定。

一般具有螺旋壓水室的離心泵，其壓水室結構是根據(jù)設計流量設計的，此刻液體在葉輪周圍壓水室中速度和壓力是均勻且軸對稱的，理論上互相抵消，不存在軸向力。 但是，當工作流量不在設計流量點處時， 壓水室和葉輪的平衡被打破，破壞了壓力的均勻、軸對稱分布，產生了徑向力。假設不考慮轉子不平衡量而引起的離心力，則徑向力F徑主要由葉輪重力FG和葉輪外周壓力分布不均勻引起的水力徑向力F水組成。

泵軸所受的徑向力與泵的操作流量成反比，與泵的揚程成正比，同樣彎矩M徑w、總彎矩M和彎曲應力σw均與泵的操作流量成反比，與泵的揚程成正比。 也就是說，彎曲應力σw隨操作流量的降低而增加，隨著揚程的增加而增加。 而目前，G1-607B，G2-607A這兩臺泵的操作流量均只有額定流量的一半不到，出口壓力為2.3 MPa，這樣必然會使泵軸彎曲應力σw大幅增加，導致2205泵軸的疲勞強度不夠。

2.3 軸的斷口分析

觀察軸的斷裂部位可知，起初大多斷裂部位處于軸頭安裝葉輪螺母的螺紋根部，在加大了此處的直徑后， 斷裂部位轉移到安裝葉輪的軸肩處，軸肩與葉輪輪轂端面接觸，起到軸向定位的作用，而其轉角處易產生應力集中區(qū)域；有數(shù)次斷裂部位處于葉輪安裝鍵槽處，斷口呈腐蝕剝落狀；觀察斷口宏觀形狀可見，斷面平齊，或有稍稍突起，基本與軸線垂直，無明顯的塑性變形，說明是脆性斷口。

2.4 故障原因綜合評判

根據(jù)以上分析， 判斷發(fā)生斷軸故障的原因為：

a. 由于彎矩、扭矩的作用，軸表面應力最大，軸肩處由于斷面形狀變化存在應力集中現(xiàn)象，軸肩過渡退刀槽處較為薄弱的某點成為疲勞裂紋源，在葉輪的離心力作用下，裂紋逐漸擴大，使得受力面積減小，當受力面積小于最小承載截面積時，將發(fā)生瞬時脆斷。

b. 由鍵槽處斷口呈腐蝕剝落狀可以推測，此處可能存在縫隙腐蝕。 縫隙腐蝕亦稱間隙腐蝕，是腐蝕性介質中金屬材料的縫隙和其他隱蔽部位經(jīng)常發(fā)生的嚴重局部腐蝕之一。 當金屬與金屬之間或金屬與非金屬之間存在縫隙時，縫隙內外的氧濃度和電解質溶液組成常有差異，并且還伴有自催化作用。 由此形成活化-鈍化電池或濃差電池后，更加劇陽極區(qū)（縫隙內部）的腐蝕。 而由于此懸臂離心泵的葉輪裝配結構使得葉輪安裝孔與泵軸之間有介質（99%醋酸）滲入，因此，此處容易出現(xiàn)嚴重的縫隙腐蝕，而且鍵槽又是扭矩的傳遞點，存在應力集中現(xiàn)象，一旦材料被腐蝕，必然首先出現(xiàn)損壞。

c. 轉子不平衡是導致泵徑向力加大的原因之一，因此轉子的不平衡問題同樣要引起重視。

泵轉子不平衡的原因大致如下：

a. 由于泵軸頭斷裂，加大拆卸難度。 通常的拆卸方法是將葉輪及其斷軸頭一同放置在壓床上，使用液壓工具將斷軸壓出。 而由于斷裂的軸通常產生一些金屬顆粒存在于葉輪安裝孔與軸頸的間隙之間，當將軸頭大力壓出時，存在于其中的金屬顆粒必然會將葉輪內孔刮傷。 出現(xiàn)此現(xiàn)象后，通常是用銼刀對內孔進行修磨，這樣必然會導致葉輪內孔失圓， 造成其與軸頸配合不均勻，同時產生轉子的不平衡。

b. 葉輪口環(huán)的磨損。每次故障停車均是由泵軸斷裂造成，由于泵高速運轉，在泵軸斷裂的一瞬間，因慣性的存在，葉輪脫離泵軸后仍有旋轉的趨勢，致使葉輪的口環(huán)和泵殼之間產生摩擦并導致口環(huán)嚴重磨損。 而通常的做法是將舊口環(huán)拆除，重新加工口環(huán)鑲裝，這樣必然導致葉輪不平衡的存在。

3 改進措施

針對斷軸故障的原因分析，提出以下改進措施：

a. 工藝改進。 由于負荷低，泵基本不在其設計工作點運行，工藝操作時可以打開回流旁通管路上的回流閥來調節(jié)流量，盡量讓泵運行在額定工作點附近，減少徑向力、彎矩和彎曲應力。

b. 加大軸頭葉輪鎖緊螺母處的螺紋直徑，由原來的M24×3改為現(xiàn)在的M27×3。

c. 將軸頭原退刀槽處改為圓角R=5 mm，使得軸階梯變徑處圓滑過渡，改善變徑處的應力集中現(xiàn)象。

d. 轉子安裝前，首先檢查葉輪內孔，如果內孔有磨損刮傷，則用磨床加工修復葉輪內孔（泵軸在此處的軸徑必須根據(jù)葉輪內孔修復后的尺寸同時加大）， 如果葉輪口環(huán)磨損必須更換新的口環(huán)，再做靜平衡、裝上軸，鎖緊葉輪螺母，整個轉子做動平衡，減少葉輪的動不平衡重對泵軸徑向力、彎矩的影響。

e. 避免縫隙腐蝕，在葉輪鎖緊螺母處、葉輪背面和泵軸接觸處增加密封墊片，徹底阻隔介質與泵軸。

4 結束語

醋酸高壓溶劑泵作為在PTA裝置中的重要設備，其穩(wěn)定運行對整個裝置來說至關重要，由于裝置特性，導致該泵工況條件比較復雜，對泵的結構、檢修等要求均比較高。 筆者針對該懸臂離心泵斷軸事故頻發(fā)的現(xiàn)象，經(jīng)分析并實施改進措施，改善泵的運行條件，在設計時，加大泵軸結構關鍵部位的尺寸，倒角圓滑過渡；同時，每次檢修時， 設備檢修人員注意各處配合尺寸的檢查，尤其是葉輪內孔的修復，經(jīng)過各方的努力，大幅延長了泵軸的使用壽命。