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(lián)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(dān)。2011年11月，3#高壓水泵在開車過程中，軸向位移增大導(dǎo)致聯(lián)鎖停機，給車間生產(chǎn)帶來影響。

一、自動平衡盤平衡原理

在多級泵中，為適應(yīng)軸向力的變化，自動調(diào)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(jīng)軸向間隙b0后的壓力變?yōu)閜0。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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)象及原因分析

1.故障現(xiàn)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)的磨損，并且出現(xiàn)幾處粘連現(xiàn)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(dān)著焦化車間焦炭塔的除焦工作。泵的介質(zhì)為除焦池回收的切焦水，含有一定量的焦粉，經(jīng)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(jié)果。平衡盤和平衡座都有軸向端面跳動，平衡盤轉(zhuǎn)動一周，會在轉(zhuǎn)到某一角度時，局部出現(xiàn)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(tài)是動態(tài)的，泵的轉(zhuǎn)子在某一平衡位置也會前后作軸向脈動。工況點改變時，轉(zhuǎn)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(tài)最大間隙Bmax和最小間隙Bmin。假設(shè)：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(qū)，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(nèi)。隨著泵的運轉(zhuǎn)，平衡盤就轉(zhuǎn)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(chǎn)生擠壓，二者將發(fā)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(lián)合裝置

如果這種規(guī)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(xiàn)第一道環(huán)形溝槽。隨著磨蝕的繼續(xù)，相繼出現(xiàn)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(fā)生明顯改變，取出平衡盤可以看到這些環(huán)狀溝槽大致是同心的，排列較整齊。與此同時，平衡座也出現(xiàn)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(qū)，并且Φ＇≥Bmax。則固體W將被擋在平衡盤的高壓區(qū)一側(cè)。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(qū)，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(xiàn)象為篩留現(xiàn)象，圖2圖3就能很好的說明這種現(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)量，并且堵在軸向間隙的入口處，造成平衡室內(nèi)壓力降低，平衡力減小，這時軸向力較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子不斷地向入口方向竄動，導(dǎo)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(xù)下去，最終導(dǎo)致推力瓦磨損（圖6）。

3.結(jié)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(tǒng)，過濾網(wǎng)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(qū)，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(zhì)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(xiàn)象”。經(jīng)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(zhì)就存在泵體內(nèi)。泵停止運轉(zhuǎn)后，這些焦粉顆粒在底部位置沉淀、凝結(jié)在一起。當下次泵啟動的時候，這些凝結(jié)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(xiàn)大致是同心的、排列較整齊的環(huán)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(zhì)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(zhì)中焦粉是不現(xiàn)實的，只能改善泵的運行環(huán)境。另外，從泵體結(jié)構(gòu)上進行合理的技改，盡量避免焦粉對泵的影響。

建議設(shè)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(huán)境。泵停止運行后，建議用清潔的循環(huán)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(shè)計平衡鼓結(jié)構(gòu)，將平衡間隙放大，消除焦粉對泵的影響。