利用性能參數變化診斷離心泵葉輪密封環磨損故障研究

郝鵬，陳戰勇，周智超(中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116031)

0 引言

本文在對離心泵裝置特性和工作點進行分析的基礎上，分析了泄漏導致的離心泵裝置工作點變化和離心泵性能參數變化特點，并利用離心泵性能參數的變化規律對實際運行中的離心泵葉輪密封環磨損故障進行了診斷和分析。

1 離心泵裝置特性與工作點

離心泵在管路中工作時，泵串聯在管路中，泵所提供的能頭H與管路所需的能頭h應相等；泵所排出的流量與管路中輸送的流量應相等。這時泵裝置能處于穩定的工作狀態。將泵的揚程性能曲線H-Q與管路特性曲線h-Q畫在一張圖上，稱為裝置特性，如圖1所示。這兩條性能曲線的交點即為工作點，標記為M，且M點是流量平衡和能量平衡的唯一穩定工作點[1]。

圖1 離心泵裝置特性

對應不同的工作點可以在離心泵的N-Q性能曲線和η-Q性能曲線上找出與之相對應的軸功率和效率，離心泵的工作點所對應的流量、揚程、功率和效率稱為離心泵的工作性能參數。

由于工作點是離心泵性能曲線和管路特性曲線的交點，運行過程中的離心泵裝置，泵和管路任何一方發生變化，都會引起工作點的變化。當工作點改變以后，管路內的流量和所需能頭自然發生改變，導致泵所提供的流量、揚程、功率和效率也會隨之相應變化，即離心泵的工作性能參數發生變化。

2 離心泵裝置中泵泄漏引起性能參數變化規律

由于離心泵的靜止部件與轉動部件之間有間隙，當泵工作時，因間隙兩側的液體獲得的能頭不同而產生壓力差，造成部分液體從高壓側通過間隙泄漏到低壓側。泄漏主要發生在葉輪密封環與泵殼密封環之間的間隙處、多級泵級間導葉隔板與軸套間的間隙處、軸向力平衡裝置與泵殼間的間隙處、軸封處的間隙等。當這些間隙處的間隙變大，泄漏量也會變大，導致從葉輪流出的液體中未從泵出口排出到排液管路中的液體量增大，泵出口流量降低。

在葉輪出口流量未發生變化的條件下，泵出口的壓力未變，就等于葉輪出口壓力，但由于間隙的增大，泄漏量的增加，泵排出口的流量減小。這樣對于泵本身來說，因為內部泄漏，在相同出口壓力下，泵出口排出的流量降低，泵的性能曲線下移，如圖2中2線，為泄漏變大后的H-Q性能曲線，其可在原來正常工作時泵的H-Q性能曲線的橫坐標上減去同一揚程下增加的漏損量來得到。

圖2 泄漏變大后的H-Q性能曲線和工作點變化分析

在一定的離心泵裝置中，若管路特性曲線不變，因離心泵泄漏增大，導致泵的性能曲線下移，泵的工作點將發生變化，如圖2中M1點。相比于工作點M，M1點流量Q1減小，揚程H1降低。 但M1點流量Q1只是泵出口和泵排液管路中的流量，并不是離心泵葉輪排出的流量。根據離心泵(不考慮泄漏)揚程降低，流量增加；揚程增加，流量減小的特點，如圖2中H-Q曲線。裝置工作點由M點變為M1點，揚程降低，根據泵出口壓力就等于葉輪出口壓力，葉輪出口壓力降低，葉輪內流量應該是增加的，所以泵在工作點M1揚程降低其實質是離心泵葉輪出口流量增加導致的。工作點M1所對應的葉輪內流量可在工作點M1作水平線交正常工作時泵的H-Q性能曲線于M2來得到，M2點的流量Q2就是葉輪內(泵正常工作時)的流量。Q2減去Q1就是密封間隙增大導致離心泵產生的泄漏量。

由于泵裝置中離心泵泄漏增大后通過葉輪的流量實際是增加的，根據N-Q曲線流量增加功率增加的特點，在離心泵裝置中由于泄漏增大，泵的功率一般是增加的。而相比于原工作點M，泄漏增大后泵裝置中工作點M1的流量和揚程都是減小的，根據有效功率和效率的定義：

有效功率和效率則是降低的。所以在離心泵裝置中，若管路特性未變，泵因泄漏增大，將導致泵裝置流量減小，揚程降低(泵出口壓力降低)，功率增加，效率降低[2]。

3 離心泵葉輪密封環泄漏故障案例分析

案例1：

某石化公司三蒸餾裝置封油泵(位號P-1022B)為雙級離心泵，正常操作一開一備。額定流量10 m3/h，入口壓力0.1 MPa，出口壓力1.51 MPa，揚程178 m，介質為封油(清潔柴油)，溫度為50 ℃。

該泵自上次檢修已累計使用7個月，該裝置設備管理人員按計劃對泵入口過濾器進行清理施工，清理完畢切換至運行狀態期間發現該泵示數異常，電流額定42 A，實際45 A，電流超量達7.1%以上，且超電流同時流量也不足。

由于該封油泵是為三蒸餾裝置多臺密封方案為P32+53A提供密封沖洗冷卻介質的封油(清潔柴油)，牽一發而動全身，所以當即聯系機修及電氣現場檢查，發現電壓和頻率都正常。這說明電流的增加不是電壓降低導致，而泵流量不足也不是因為電頻率降低導致的，所以該泵電流的增加和流量的降低應該與電動機無關。為進一步確定該泵性能參數異常的原因，利用泵裝置和離心泵本身的性能參數變化規律進行了參數變化分析。根據電動機輸出功率與電流和電壓的關系，

在電壓和功率因數不變的條件下，電流增大，功率增大。這說明該泵在流量降低的同時，功率增加了。該泵工作流量在額定流量以下，根據N-Q性能曲線的變化規律，隨著泵出口流量的減小，泵的功率應該是降低的，而該泵功率卻是增加的，這明顯不符合一般離心泵性能參數的變化規律。根據圖2離心泵泄漏后工作點變化的分析，當離心泵發生泄漏時，泵的出口流量減小，但由于通過葉輪的實際流量是增加的，泵的功率是增加的。由于該泵性能參數的變化與離心泵在裝置中發生泄漏的性能變化規律相吻合，所以初步判斷可能發生了泄漏。對泵軸密封進行檢查并沒有發生泄漏現象，剩下的泄漏可能就是不容易檢測的泵的內泄漏了。

將泵解體檢查，正常級間軸套間隙標準為0.40～0.50 mm，此泵為雙級，實際測量一級葉輪口環間隙為1.2 mm，二級驅動端葉輪口環間隙為1.0 mm，二級非驅動端葉輪口環間隙為1.1 mm，測量級間軸套間隙為1.1 mm，超標2倍，磨損后的葉輪口環如圖3所示。

圖3 磨損的葉輪密封環

重新制作全部的葉輪口環及級間軸套，加工返回后測量級間軸套間隙為0.42 mm，一級葉輪口環間隙為0.58 mm，二級驅動端口環間隙為0.63 mm，非驅動端口環間隙為0.65 mm，配件做好后機泵回裝完成再次試泵，流量滿足要求的情況下，電流正常，故障消除。

案例2：

某石化公司硫磺回收裝置除鹽水泵(位號P-2307B)為單級懸臂離心泵，正常操作一開一備。額定流量20 m3/h，入口壓力常壓，出口壓力0.6 MPa，揚程60 m，介質除鹽水，溫度50 ℃。

該泵上次維修后，累計運行時間18個月，該泵在啟動后未開出口閥的狀態下電流便接近上限(18 A)。排查電機無異常情況，故對泵解體檢查。檢查發現軸承無明顯損壞，轉子無蹭磨痕跡，葉輪腐蝕、沖刷嚴重。檢查葉輪口環及殼體口環，發現口環磨損，測量口環配合間隙為1.8 mm，超標。

因該泵葉輪口環與葉輪為整體式，需要對葉輪口環進行修圓處理，最終保證葉輪口環直徑為φ60.00 mm。同時，對蝸殼安裝口環位置進行修圓，加工新殼體口環安裝。安裝殼體口環后，測量殼體口環內徑為φ60.40 mm，葉輪口環與殼體口環配合間隙為0.4 mm，符合標準。施工結束后，泵開啟運行，電流正常(14.5 A)，故障消除。

4 結語

密封環是離心泵葉輪密封的常用部件，泵的運行過程中密封環磨損是不可避免的，如果不能及時發現嚴重的葉輪密封環磨損，可能導致嚴重的意外事故。故障案例的分析證明利用口環磨損后泵的性能參數變化規律來診斷由于口環磨損導致的內泄漏故障是可行的，為了實現離心泵口環磨損的監測，改變定期維修所帶來的過剩維修，建立離心泵性能參數與口環磨損量的變化關系，特別是泄漏量與口環磨損量的關系，將是后面進一步研究的重點。