防止平衡盤磨損方法探討

張寶華，黃科馳

(中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司 天津300452)

防止平衡盤磨損方法探討

張寶華，黃科馳

(中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司 天津300452)

目前海洋石油平臺采用平衡盤平衡轉(zhuǎn)子軸向力的多級離心泵，多數(shù)具有注水增壓、污水輸送等功能，由于平衡盤位于泵非驅(qū)動端殼體內(nèi)部，日常維護(hù)和巡檢時(shí)不能發(fā)現(xiàn)其磨損狀態(tài)，而該類型的多級泵前后兩端通常采用短圓柱軸承承受徑向力，所以平衡盤與平衡板發(fā)生摩擦?xí)r前后軸承不會出現(xiàn)高溫等征兆，因而不易被察覺，但是如果平衡盤過度磨損，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)子整體向葉輪入口方向移動，造成轉(zhuǎn)子與殼體摩擦，嚴(yán)重時(shí)造成泵的整體報(bào)廢。從分析多級離心泵軸向力平衡裝置原理入手，闡述防止平衡盤磨損的方法，以提高機(jī)泵的使用壽命。

軸向力 平衡盤 角接觸軸承

0 引 言

目前海洋石油平臺采用平衡盤平衡轉(zhuǎn)子軸向力的多級離心泵，多數(shù)具有注水增壓、污水輸送等功能，出口壓力在1.0,MPa以上，排量大小不等，轉(zhuǎn)速分為 1,500,RPM 和3,000,RPM 兩種。由于平衡盤位于泵非驅(qū)動端殼體內(nèi)部，日常維護(hù)和巡檢時(shí)不能發(fā)現(xiàn)其磨損狀態(tài)，而該類型的多級泵前后兩端通常采用短圓柱軸承承受徑向力，所以平衡盤與平衡板發(fā)生摩擦?xí)r前后軸承不會出現(xiàn)高溫等征兆，因而不易被察覺，但是如果平衡盤過度磨損，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)子整體向葉輪入口方向移動，造成轉(zhuǎn)子與殼體摩擦，嚴(yán)重時(shí)造成泵的整體報(bào)廢。2008年，某平臺的注水增壓泵曾經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)子與殼體劇烈摩擦，造成了各級葉輪和殼體導(dǎo)葉報(bào)廢的嚴(yán)重故障。圖1為磨損后的葉輪。因此，對于該類型多級離心泵，必須采取應(yīng)對措施，防止因平衡盤失效導(dǎo)致嚴(yán)重故障的發(fā)生。

圖1 磨損后的葉輪Fig.1 Wornout wheels

1 平衡盤磨損原因分析

1.1 平衡盤工作原理

平衡盤安裝在多級泵的末級葉輪背后，平衡盤除輪轂(或軸套)與泵體之間有一個(gè)間隙 b外，在盤與泵體之間還有一個(gè)軸向間隙 b0，平衡盤的背后則是通入口管的平衡室。末級葉輪背后的高壓液體流向徑向間隙b，壓力從P降到P′，由于P′大于P0(平衡室壓力)，平衡盤兩側(cè)產(chǎn)生一壓力差，壓力P′液體將平衡盤推向后面并經(jīng)間隙 b0流向平衡室，這個(gè)推開平衡盤的力即為平衡力，與轉(zhuǎn)子的軸向推力方向相反。整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)葉輪上的推力大于平衡力時(shí)，轉(zhuǎn)子就向前移，使間隙 b0減小，減少了泄漏量，壓力P′則增高，也就增加了平衡力，轉(zhuǎn)子不斷前移，P′也不斷增高，當(dāng)移到某一位置時(shí)，平衡力與軸向推力相等，亦即達(dá)到了平衡。由于慣性，運(yùn)動著的轉(zhuǎn)子不會立即停止在平衡位置上，還會繼續(xù)移動，軸向間隙b0也會繼續(xù)變化，直到因阻力而停止，但停止的位置并非平衡位置，此時(shí)平衡力超過軸向力，所以又使轉(zhuǎn)子向相反方向即向后移動，即又開始了一個(gè)新的平衡循環(huán)。這樣多次反復(fù)動作，一次比一次移動的少，最后可穩(wěn)定下來，使轉(zhuǎn)子停留在穩(wěn)定的平衡位置上。

圖2 平衡盤結(jié)構(gòu)Fig.2 Balance disc structure

當(dāng)泵的工況發(fā)生變化時(shí)，軸向力也就會又如上所述重新調(diào)節(jié)?？梢钥闯?，平衡盤的平衡狀態(tài)是動態(tài)的，即轉(zhuǎn)子是在某一平衡位置上作衰減往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)工作點(diǎn)改變時(shí)，轉(zhuǎn)子會以平衡點(diǎn)為中心做若干次逐漸衰減的往復(fù)運(yùn)動，最終穩(wěn)定在平衡位置。

1.2 平衡盤磨損原因

從上述平衡盤工作原理可以看出，平衡盤的軸向脈動不宜過大，也就是間隙 b0變化范圍不宜過大。這決定于徑向間隙b的大小。b過大，使P′接近P，即使b0再大，也不會變化，即失去了自動平衡的能力。若 b過小，b0稍有變化，P′壓力即下降到 P0，亦即 P′變化幅度大。因此在裝配過程中必須對平衡盤除輪轂(或軸套)與泵體之間 b和盤與泵體之間軸向間隙b0嚴(yán)格控制，使之滿足出廠設(shè)計(jì)要求才能保證平衡盤可靠工作。

但是在實(shí)際工作過程中，平衡盤與平衡板、軸套等有磨損后間隙逐步增大或因介質(zhì)腐蝕結(jié)垢后間隙減小的可能，這些因素會影響平衡盤的正常工作，尤其是當(dāng)工況劇烈波動時(shí)，轉(zhuǎn)子在非平衡位置工作，造成平衡盤、葉輪與平衡板、導(dǎo)葉碰磨。

2 解決平衡盤磨損的方法

根據(jù)轉(zhuǎn)子軸向力產(chǎn)生的原理，目前有多種方法可以平衡轉(zhuǎn)子軸向力，例如：采用葉輪對稱布置、采用平衡盤/鼓聯(lián)合裝置、在葉輪背部焊接筋條等方法來平衡軸向力，這些方法必須在泵的設(shè)計(jì)時(shí)采用，目前技術(shù)比較成熟，這里不做贅述。

這里探討那些采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的在役多級離心泵防止平衡盤磨損的方法——通過對軸承改造后減少平衡盤磨損的方法。

通過改造泵非驅(qū)動端軸承結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子固定于平衡位置，即平衡盤與平衡板保持軸向間隙 b0，從而達(dá)到平衡盤平衡主要軸向力，殘余軸向力由非驅(qū)動端軸承承受的目的。非驅(qū)動端軸承采用背靠背角接觸軸承，使之能承受雙向殘余軸向力。在生產(chǎn)使用過程中，日常巡檢時(shí)，通過檢查非驅(qū)動端軸承溫度，就可以判斷平衡盤磨損情況，如果平衡盤磨損，可靠性降低，則轉(zhuǎn)子殘余軸向力增大，非驅(qū)動端軸承負(fù)荷增大，必然溫度上升，此時(shí)可以對泵進(jìn)行維修。即軸承超負(fù)荷，故障范圍也僅限于軸承的損壞，不至于危及整個(gè)轉(zhuǎn)子。避免了以前平衡磨損后沒有征兆表現(xiàn)的問題。

3 實(shí)際應(yīng)用

2010年3月，在對某平臺注水增壓泵維修過程中，發(fā)現(xiàn)該泵平衡盤與平衡板嚴(yán)重摩擦，平衡盤已經(jīng)報(bào)廢，葉輪已經(jīng)與殼體發(fā)生了碰磨，所幸并不嚴(yán)重，通過修復(fù)可繼續(xù)使用。

技術(shù)組對該泵進(jìn)行論證并取得作業(yè)區(qū)同意后，對該泵軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將非驅(qū)動端的短圓柱軸承改造為一對背靠背安裝的角接觸軸承，通過角接觸軸承的軸向定位，使平衡盤與平衡板保持穩(wěn)定間隙。

相關(guān)計(jì)算如下：

3.1 轉(zhuǎn)子殘余軸向力

在圖3中，由于平衡位置不變，所以平衡盤左側(cè)的平衡腔內(nèi)的壓力就是末級葉輪出口壓力P，而平衡盤右側(cè)的壓力則為泵入口壓力P0，平衡盤兩側(cè)形成的壓差來平衡轉(zhuǎn)子軸向力，整個(gè)轉(zhuǎn)子仍有參與軸向力，轉(zhuǎn)子的殘余軸向力由角接觸軸承承擔(dān)。泵的平衡機(jī)構(gòu)沒有做任何改變，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子平衡結(jié)構(gòu)Fig.3 Equilibrium structure of rotor

式中：P為泵末級出口壓力，該泵為 0.429,MPa；P0為泵入口壓力，該泵為 0.01,MPa；r為平衡盤有效承壓半徑，該泵為52,mm；rb為平衡盤輪轂半徑，該泵為8.5,mm。

3.2 軸承的選用

軸承為 7,315，接觸角為 40,°，背靠背安裝時(shí)可承受8.15,kN的負(fù)荷。如圖4角接觸軸承負(fù)荷傳遞方向所示。

3.3 該軸承能承受的軸向負(fù)荷

由此可以看出該軸承完全可以承受泵工作時(shí)的軸向負(fù)荷，并且還有1.846,kN余量。

圖4 角接觸軸承負(fù)荷傳遞方向Fig.4 Bearing load of angular contact bearing

該泵軸承箱原來是為安裝短圓柱軸承設(shè)計(jì)的，安裝一對角接觸軸承顯然空間不足，為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助的軸承室，通過加長螺栓連接在原軸承室內(nèi)側(cè)，滿足了角接觸軸承的空間，軸承的潤滑仍采用脂潤滑。

該泵進(jìn)行局部改進(jìn)后，進(jìn)行了性能試驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)際考核泵效符合要求，這說明裝配間隙滿足要求，沒有造成內(nèi)部泄漏；泵軸承溫升正常，說明軸承完全能承受殘余軸向力，軸承工作正常；試驗(yàn)后對泵非驅(qū)動端軸承進(jìn)行了拆檢，角接觸軸承滾道表面光潔如初，泵改造成功，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié) 語

通過改變多級離心泵軸承形式，從而控制平衡盤與平衡板的相對位置，并將平衡盤失效征兆通過軸承的溫升變化表現(xiàn)出來，可以避免突發(fā)故障出現(xiàn)和因此產(chǎn)生的連帶損失，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，為該類型的多級離心泵的改造提供了新思路。■

［1］ 姬忠禮. 泵與壓縮機(jī)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］ 張湘亞，陳弘. 石油化工流體機(jī)械[M]. 一版，東營：石油大學(xué)出版社，1996：66-80.

［3］ 虞和濟(jì)，韓慶大，原培新. 振動診斷的工程應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

On Wear Prevention Methods for Balance Discs

ZHANG Baohua，HUANG Kechi
(CNOOC(China)Co.，LTD PENGBO Operating Company，Tianjin 300452，China)

Currently，offshore oil platforms use multistage centrifugal pumps with balancing disc rotor axial force，most of which have application purposes of water injection boosting and sewage transmission．As balance disc is located in pump shell at the non-driving end，daily maintenance and inspection cannot find the wear status，and this type of multistage pump usually takes short cylindrical bearing radial force on both ends，signs such as high temperature fail to appear on front and back bearings when balance disc rubbing against balance board，making it hard to be found．The excessive wear will inevitably lead to the rotor integral moving to the impeller inlet direction，causing frictions between rotor and shell，and worst，the overall scrap of the pump．This paper，from the perspective of the principle of multiple-stage centrifugal pump with axial force balancing device，discusses wearing prevention methods for balance disc to prolong service life of the pump.

axial force；balance disc；angular contact bearings

TE53

A

1006-8945(2015)09-0062-03

2015-05-09