循環(huán)水泵斷軸原因分析及改進(jìn)措施

徐衛(wèi)斌

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)烯烴部3#烯烴裝置循環(huán)水老區(qū)U-GA-1001A循環(huán)水泵，是與上海石化300 kt/a乙烯裝置同步建設(shè)投用的，為乙烯裝置水冷器設(shè)備提供冷卻循環(huán)水，至今已連續(xù)運(yùn)行30年。該泵由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)。由于該泵運(yùn)行時(shí)間已長(zhǎng)，近年來(lái)一直處于不完好狀態(tài)下運(yùn)行，主要問題為該泵的軸承振動(dòng)速度值長(zhǎng)期維持在7～8.5 mm/s，處在評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的C(振速4.5～11.2 mm/s)區(qū)[1]。聯(lián)軸器疊片也出現(xiàn)周期性的失效狀況，需停泵檢修，從而在切換過(guò)程中造成循環(huán)水系統(tǒng)流量、壓力波動(dòng)，対老區(qū)循環(huán)水場(chǎng)的穩(wěn)定供水產(chǎn)生了很大的影響。為徹底解決這一問題，裝置按照計(jì)劃對(duì)泵頭進(jìn)行整體更換處理，但在更換后運(yùn)行僅3個(gè)半月，泵軸就發(fā)生了斷裂故障。文章通過(guò)對(duì)循環(huán)水泵斷軸故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行綜合分析，通過(guò)實(shí)施針對(duì)性的改進(jìn)措施，解決存在的問題，確保循環(huán)水泵的正常運(yùn)行，保證乙烯裝置循環(huán)水的穩(wěn)定供應(yīng)。

1 循環(huán)水泵的概況及故障情況

1.1 循環(huán)水泵的概況

U-GA-1001A循環(huán)水泵為單級(jí)雙吸式離心泵，流量為10 000 m3/h，揚(yáng)程為62 m，功率為2 100 kW，轉(zhuǎn)速為590 r/min，密封形式為填料密封，葉輪形式為閉式雙吸式，安裝方式為臥式、進(jìn)口水平、出口水平，軸承潤(rùn)滑方式為油脂潤(rùn)滑，聯(lián)軸器形式為疊片聯(lián)軸器。泵輸送介質(zhì)為循環(huán)水(含有一定氯)，水中添加緩蝕劑。該泵由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為6 063 r/min，功率為2 100 kW，附帶減速齒輪箱。在本次設(shè)備更新中，驅(qū)動(dòng)端維持不動(dòng)，汽輪機(jī)、減速齒輪箱利用舊設(shè)備，只更換泵頭。

U-GA-1001A循環(huán)水泵泵頭更換過(guò)程中，為確保泵頭更換后機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，在更換泵頭的同時(shí)做了以下工作：第一，在泵進(jìn)口新增一臺(tái)金屬膨脹節(jié)(原設(shè)計(jì)只在泵出口有一臺(tái)膨脹節(jié))，盡可能減少管道應(yīng)力對(duì)泵的影響；第二，對(duì)泵的聯(lián)軸器也重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從現(xiàn)場(chǎng)檢修條件出發(fā)，為有效降低安裝難度，采用疊片聯(lián)軸器，疊片為連桿型散片型式。

1.2 循環(huán)水泵的故障情況

U-GA-1001A循環(huán)水泵更換泵頭后，于2017年6月投用，運(yùn)行至9月，操作人員于巡檢中發(fā)現(xiàn)該泵兩側(cè)軸承箱箱體溫度突然升高，用輻射溫度計(jì)測(cè)得外表溫度值為100～120 ℃，立即加注潤(rùn)滑脂，溫度沒有任何下降趨勢(shì)，隨即停泵進(jìn)行檢查。拆開軸承箱檢查軸承，發(fā)現(xiàn)部分潤(rùn)滑脂變黑，靜態(tài)下從外觀看軸承無(wú)明顯缺陷。盤車檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有明星卡澀現(xiàn)象，打開泵體水平大蓋檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪與泵殼的相對(duì)位置與正常安裝位置有偏移現(xiàn)象，準(zhǔn)備將葉輪轉(zhuǎn)子組件吊下，對(duì)葉輪軸向位置進(jìn)行校正。在吊裝泵轉(zhuǎn)子組件的過(guò)程中，半根軸斷裂掉落，斷裂部位發(fā)生在葉輪鍵槽處(見圖1)。

(a)軸向 (b)徑向

圖1 泵軸斷裂部位

2 故障原因分析

2.1 聯(lián)軸器

循環(huán)水泵隨機(jī)設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器為疊片式聯(lián)軸器，采用了連桿型散片形式。

循環(huán)水泵出現(xiàn)故障停止運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器疊片有明顯的損壞情況，而且數(shù)量比較多，部分疊片出現(xiàn)了扭曲變形,見圖2(a)；一部分疊片已經(jīng)出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象,見圖2(b)。

通過(guò)與聯(lián)軸器生產(chǎn)廠家共同研究分析，發(fā)現(xiàn)散片形式的疊片太厚，運(yùn)行中容易產(chǎn)生疊片受力不均勻的現(xiàn)象，疊片的補(bǔ)償性能無(wú)法完全發(fā)揮，不能滿足泵運(yùn)行時(shí)的扭矩需求，容易發(fā)生部分疊片變形、斷裂現(xiàn)象，如果繼續(xù)運(yùn)行，必將導(dǎo)致所有疊片最終完全斷裂。

此外，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)還發(fā)現(xiàn)，散片形式的疊片，零件種類、數(shù)量相對(duì)較多，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)步驟繁瑣，安裝出錯(cuò)的概率較高，容易造成疊片安裝錯(cuò)位，疊片受力不同步，發(fā)生損壞現(xiàn)象。

(a)疊片扭曲變形 (b)疊片斷裂

圖2 疊片損壞情況

2.2 循環(huán)水泵軸材料

2.2.1 材料的化學(xué)成分分析

為了確認(rèn)循環(huán)水泵軸的材料是否與原設(shè)計(jì)相符，本次將泵斷軸材料取樣送專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1所示。

表1測(cè)試結(jié)果表明：泵斷軸材料化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)材料牌號(hào)20Cr13材料成分相符，與原設(shè)計(jì)相符，該材料屬于馬氏體不銹鋼。

表1 泵軸材料化學(xué)成分分析 %

2.2.2 循環(huán)水泵軸強(qiáng)度的分析

按照高強(qiáng)度鋼的許用扭應(yīng)力來(lái)核算軸的直徑d[2]：

d≥(98～106)(P/n)1/3

=(98～106)(2 100/590)1/3

≈150～162 mm

式中:P為軸傳遞的功率，kW；n為泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

核算泵軸徑d要求大于162 mm，實(shí)際泵軸最細(xì)處軸徑尺寸為185 mm，完全達(dá)到要求，滿足運(yùn)行扭矩的需求。

2.2.3 泵軸斷口的宏觀形貌分析

循環(huán)水泵軸斷口的宏觀形貌照片(圖3)顯示：整個(gè)斷口較為平坦，泵軸周邊無(wú)塑性變形，在斷口上可觀察到裂紋擴(kuò)展不同階段的擴(kuò)展臺(tái)階。鍵槽左側(cè)尖端處存在機(jī)械擦傷，該泵軸當(dāng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)為逆時(shí)針方向，該處是鍵槽受力側(cè)。在鍵槽尖端斷口上明顯觀察到裂紋圓弧擴(kuò)展條紋，可判斷該處為裂紋萌生部位，整個(gè)斷口呈脆性斷裂斷口特征。由于從軸斷裂到取樣分析存在一定時(shí)間，斷口表面已氧化，且鍵槽尖端起裂部位已嚴(yán)重?fù)p壞，因此觀察不到起裂處是否存在原始缺陷。

(a)徑向 (b)軸向

圖3 泵軸斷口宏觀形貌照片

2.2.4 泵軸鍵槽處材料金相檢查

為了觀察鍵槽起裂部位與相對(duì)另一側(cè)鍵槽尖端處材料的金相組織有無(wú)差異，請(qǐng)專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)鍵槽兩側(cè)進(jìn)行了金相檢查。泵軸材料的金相組織為回火索氏體加少量的鐵素體，證明該材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，高溫回火后可獲得良好的綜合力學(xué)性能，該材料組織無(wú)異常。同時(shí)比較鍵槽兩側(cè)的金相組織，并無(wú)差異，鍵槽左側(cè)斷口處不存在材料內(nèi)部缺陷。

2.2.5 泵軸斷口微觀形貌分析

為了查明泵軸斷裂的具體原因，對(duì)循環(huán)水泵軸斷口起裂區(qū)域附近進(jìn)行了微觀形貌分析。從鍵槽起裂部位附近的裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌照片來(lái)看，可以觀察到斷口已嚴(yán)重氧化，斷口材料呈現(xiàn)具有馬氏體位向的板條狀花樣，但依稀可觀察到疲勞擴(kuò)展的條紋。局部區(qū)域疲勞擴(kuò)展特征較為明顯，因此可以判定本次泵軸斷裂失效機(jī)理為疲勞裂紋擴(kuò)展所致。

2.3 泵安裝

安裝順序：先進(jìn)行基礎(chǔ)加固，泵頭定位，直至對(duì)中數(shù)據(jù)端面和徑向偏差均不大于0.08 mm，再安裝進(jìn)出口膨脹節(jié)；膨脹節(jié)、接管就位后，復(fù)核泵的中心數(shù)據(jù)，進(jìn)行最終調(diào)節(jié)，盤車順暢，等待開車。通過(guò)與泵生產(chǎn)廠家的討論，認(rèn)為泵的安裝和管道連接狀況沒有問題。因此通過(guò)對(duì)泵運(yùn)行后的情況進(jìn)一步分析，判斷泵軸斷裂的具體原因。

2.3.1 位移的影響

泵啟動(dòng)后，由于出口壓力達(dá)到0.6 MPa，高壓側(cè)(出口)向低壓側(cè)(進(jìn)口)有一股推力，進(jìn)而使泵出現(xiàn)位移，泵整體往泵進(jìn)口方向挪動(dòng)，這一點(diǎn)在之后的檢修中得到了證實(shí)；停泵后對(duì)泵的中心數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)泵整體向泵進(jìn)口方向偏移了0.9 mm，也就是說(shuō)當(dāng)泵啟動(dòng)時(shí)，泵頭克服進(jìn)出口管道的應(yīng)力后向泵進(jìn)口移動(dòng)(0.9+X)mm，泵停運(yùn)后，泵頭向泵出口方向回彈Xmm。

綜上所述，泵生產(chǎn)廠家提供的資料上要求的冷態(tài)對(duì)中數(shù)據(jù)沒有特殊的要求，未將工作狀態(tài)下設(shè)備可能產(chǎn)生的位移量考慮在內(nèi)，進(jìn)而泵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生對(duì)中不良的現(xiàn)象。由于強(qiáng)制連接、運(yùn)行所產(chǎn)生的非正常情況下附加的彎曲應(yīng)力、扭曲應(yīng)力，導(dǎo)致泵軸受到疲勞損傷，最終導(dǎo)致泵軸斷裂；聯(lián)軸器疊片也由于承受附加的扭應(yīng)力而出現(xiàn)變形、斷裂。

2.3.2 定位的影響

中心的調(diào)節(jié)是泵安裝中的重要環(huán)節(jié)，該設(shè)備是通過(guò)在泵四個(gè)底腳下安裝墊片來(lái)調(diào)整中心高度的。原先泵精確對(duì)中后，四個(gè)腳的墊片數(shù)量過(guò)多，導(dǎo)致摩擦力降低，進(jìn)而泵在外力的作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)。調(diào)整墊片過(guò)多也容易造成墊片高度的偏差，引起泵軸中心的相應(yīng)偏離。

原底座上配有的對(duì)中調(diào)整螺栓，在中心調(diào)整好后沒有將其與泵底座固定，未起到相對(duì)定位的作用。

泵進(jìn)出、口金屬膨脹節(jié)的定距螺栓未全部上緊，泵運(yùn)行后，由于剛性不足，導(dǎo)致膨脹節(jié)自身產(chǎn)生收縮或拉伸變形，也是導(dǎo)致泵發(fā)生移位的一個(gè)原因。

3 整改措施及效果

根據(jù)以上分析，該泵存在安裝不合理、聯(lián)軸器選型不當(dāng)?shù)葐栴}，結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用工況，采取以下改進(jìn)措施。

(1)調(diào)整泵的對(duì)中數(shù)據(jù)，考慮到泵開啟后產(chǎn)生的水平反沖推力，在調(diào)整中心數(shù)據(jù)時(shí)，泵的位置向泵的出口方向整體平移0.15 mm，當(dāng)泵投入運(yùn)行時(shí)，打表數(shù)據(jù)顯示，泵的位置往進(jìn)口方向平移了0.11 mm。這樣可以保證泵在運(yùn)行時(shí)，泵軸對(duì)中狀況處于良好狀態(tài)。

(2)重新加工對(duì)中調(diào)整墊片，泵中心調(diào)整完畢后，測(cè)量計(jì)算出各底腳的墊片厚度，定制對(duì)中調(diào)整墊片，將數(shù)量調(diào)整到每處不超過(guò)3片，安裝后重新校正對(duì)中數(shù)據(jù)。

(3)固定泵底座上的對(duì)中調(diào)整螺栓，在泵安裝對(duì)中以后，將對(duì)中調(diào)整螺栓全部保留且全部頂緊泵基礎(chǔ)，盡量克服泵出口管線的推力，確保泵基礎(chǔ)不發(fā)生位移現(xiàn)象。

(4)在泵底腳上加裝定位柱銷，泵復(fù)位對(duì)中數(shù)據(jù)調(diào)整準(zhǔn)確后，在底腳上開孔安裝定位銷，確保中心不偏離。

(5)對(duì)泵出口管道軸向支撐進(jìn)行加固，減少泵運(yùn)行中由于反沖力、管道應(yīng)力引起的中心偏離。

(6)聯(lián)軸器疊片改為連桿型組件形式，連桿型組件形式的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)安裝方便(疊片、錐形墊圈、帶肩襯套一體)、有更好的撓性、補(bǔ)償性能更好、受力均勻、穩(wěn)定性更高。對(duì)聯(lián)軸器片組的強(qiáng)度進(jìn)行了重新計(jì)算，通過(guò)供應(yīng)商TDISC程序計(jì)算，選型安全因子為2.35，高于美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)671標(biāo)準(zhǔn)中要求聯(lián)軸器的選型安全因子1.5；疲勞安全因子為2.28，高于API 671標(biāo)準(zhǔn)中要求的1.25。

(7)在調(diào)試開泵前確認(rèn)中心數(shù)據(jù)，在調(diào)試結(jié)束后復(fù)查中心數(shù)據(jù)，防止不對(duì)中導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生異常。

(8)泵投用后，對(duì)泵基礎(chǔ)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確認(rèn)是否出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，通過(guò)2個(gè)月的打表監(jiān)控，中心沒有發(fā)生偏移。

通過(guò)上述措施的實(shí)施，自2017年11月投用起，該泵的運(yùn)行一直處于良好狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)聯(lián)軸器疊片的損壞表明泵的運(yùn)行工況處在不完好狀態(tài)，其直接原因就是泵中心產(chǎn)生偏離，偏離越大，疊片所受的附加扭力越大、越不均勻，補(bǔ)償性能越弱，疲勞損壞加快，以至最終出現(xiàn)疊片斷裂現(xiàn)象。

(2)根據(jù)泵軸斷口宏觀形貌分析，確認(rèn)裂源起裂部位在泵軸葉輪處鍵槽左側(cè)尖端處，該部位屬于應(yīng)力集中部位，運(yùn)行時(shí)應(yīng)力載荷較高，該處鍵槽機(jī)械損傷和局部變形也可以證明這個(gè)判斷。根據(jù)鍵槽處的材料金相組織檢查，未發(fā)現(xiàn)該處材料內(nèi)部存在缺陷，材料組織較為正常。根據(jù)斷口微觀形貌分析，可以確認(rèn)造成泵軸斷裂的機(jī)理為疲勞裂紋擴(kuò)展所致。

(3)泵的安裝是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須嚴(yán)格按照安裝步驟，排除一切影響泵中心數(shù)據(jù)的因素(本體、管路)。綜合分析得出，本次泵斷軸的根本原因是泵投用后中心產(chǎn)生偏離，運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)中情況不佳，造成附加的彎曲應(yīng)力、扭曲應(yīng)力，泵軸在附加的交變載荷的作用下，最終造成疲勞斷裂。