大型水泵軸瓦摩擦失效原因分析與技術(shù)改造

王 兵 尹曉東

(山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心萊州管理站，山東 萊州 261400)

膠東調(diào)水輸水工程是南水北調(diào)東線工程的支線，西起東平湖，東至山東威海米山水庫，全長688km。東宋泵站是該輸水線路的一級提水泵站，泵站設(shè)計流量19.7m3/s，設(shè)計凈揚程12.86m，裝機容量5520kW。東宋泵站年運行期10個月，年調(diào)水量約3.6億m3，對保障膠東地區(qū)水資源供應(yīng)具有重大作用。

2019年8月，泵站3號主機組水泵運行不到2000h就發(fā)生了水導(dǎo)軸瓦和軸套的摩擦損壞事件，影響了設(shè)備穩(wěn)定可靠運行，需要深入分析失效原因，保障機組正常運行。

1 泵站設(shè)備概況

東宋泵站安裝6臺混流泵機組，其中1號和6號機組為2臺調(diào)節(jié)機組，單臺設(shè)計流量2.75m3/s，水泵為1000HDS-12型混流泵，配備YL560-12異步電動機，電機額定功率560kW，水泵軸長4.3m，軸直徑160mm，上距聯(lián)軸器3.6m處設(shè)水導(dǎo)軸瓦一處。2～5號機組為4臺主機組，水泵為1400HD-14型混流泵，單臺設(shè)計流量5.85m3/s，配套TL1100-16同步電機，額定功率1100kW，水泵軸長6.9m，軸直徑200mm，分別在上距聯(lián)軸器2.2m和5.6m處設(shè)上、下兩處水導(dǎo)軸瓦。

2 設(shè)備損壞情況

2019年8月，巡視設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)泵站3號機組運行過程中間歇性噪聲和振動增大，計算機監(jiān)控顯示振動值平均增加30%，最大峰值增加60%，溫度、電流、功率等指標(biāo)沒有超過額定值。因機組大修后運行時間不足2000h，最初分析可能是水流中有異物纏繞葉輪或流道內(nèi)雜物垃圾較多，水流流態(tài)不穩(wěn)造成機組短時振動較大。于是將機組停機，利用管道回水沖刷水泵流道內(nèi)的異物，但機組重開后，間歇性振動和噪聲依然較大，為查清問題原因，避免機組持續(xù)運行發(fā)生更大問題，對機組停機檢查。在下落檢修閘門，封閉3號機組流道進(jìn)口，抽干流道內(nèi)水之后，對上水導(dǎo)軸瓦和下水導(dǎo)軸瓦進(jìn)行拆卸。拆卸發(fā)現(xiàn)：上水導(dǎo)軸瓦內(nèi)襯橡膠和泵軸軸套沒有明顯磨損；下水導(dǎo)軸瓦磨損嚴(yán)重，軸瓦賽龍條已磨掉，表面類似刀刻狀，賽龍軸瓦內(nèi)襯中夾雜不銹鋼碎屑，泵軸不銹鋼軸套已基本磨掉，露出泵軸碳鋼材料，泵軸本體表面沒有明顯磨損；后導(dǎo)水錐破損。

3 原因分析

3.1 運行原因分析

水泵在運行過程中，泵軸旋轉(zhuǎn)時在不均勻水流的作用下，不斷撞擊和摩擦軸瓦，機組始終處于振動狀態(tài)，隨著運行時間延長，機組的水平、同心和擺度指標(biāo)會不斷發(fā)生變化，部分緊固件出現(xiàn)松動，會進(jìn)一步加大泵軸與軸瓦的摩擦，加快軸套和軸瓦的磨損，使軸套和軸瓦間隙不斷增大，減小了對軸旋轉(zhuǎn)過程的狀態(tài)約束，加劇了軸的撞擊和設(shè)備的振動，形成了惡性循環(huán)。到達(dá)一定時間，造成軸瓦和軸套的摩擦損壞。但由于3號機組大修后運行時間不到2000h，3號機組軸套和軸瓦的磨損速度超出了正常范圍，因此，需對軸套和軸瓦摩擦損壞原因作進(jìn)一步分析。

3.2 軸和軸瓦材料硬度和耐磨性分析

3號機組水泵主軸材料為45號鋼，上水導(dǎo)軸套為不銹鋼材料，軸瓦殼體為不銹鋼，內(nèi)襯為橡膠，下水導(dǎo)軸套為不銹鋼材料，軸瓦殼體為不銹鋼，軸瓦內(nèi)襯為白色賽龍材料。45號鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，具有良好的機械性能，可以淬硬至洛氏硬度42～46HRC，表面淬火硬度在55～58HRC之間，因此，經(jīng)過熱處理的泵軸表面硬度達(dá)到洛氏硬度55HRC以上。從現(xiàn)場軸和軸瓦賽龍內(nèi)襯的磨損情況看，在軸套已磨損到?jīng)]有的情況下，泵軸本體并沒有明顯磨損，由此可見，泵軸材料硬度和耐磨性較高，其硬度和耐磨性要大于軸套和白色賽龍材料的硬度和耐磨性。軸瓦材料為白色賽龍，其機械性能指標(biāo)為抗拉強度37.9MPa，剪切強度32.7 MPa，延伸率207%，肖氏硬度(SHORE D.)67。對應(yīng)洛氏硬度值為50.8HRC，硬度小于泵軸45號鋼的硬度。泵軸軸套為不銹鋼材料，鋼號為1Cr18Ni9Ti，組織類別為奧氏體型。其硬度指標(biāo)為：布氏硬度HB≤187，洛氏硬度HRB≤90，維氏硬度HV≤200，為了便于比較，將材料硬度統(tǒng)一用洛氏硬度HRC指標(biāo)表示。查表可知，泵軸軸頸軸套的三種硬度指標(biāo)對應(yīng)的HRC值均小于20[1]。硬度小于泵軸45號鋼的硬度，也小于白色賽龍材料的硬度。

通過對材料的特性比較，賽龍材料的硬度和耐磨性遠(yuǎn)高于泵軸不銹鋼軸套材料硬度，在運行過程中泵軸軸套首先磨損，磨損后的軸套表面不再是光滑面，反向加劇了對軸瓦賽龍材料的摩擦，二者相互作用，加劇了軸瓦和軸的損壞，最終導(dǎo)致軸瓦和軸套完全摩擦失效。上一次設(shè)備維修更換軸瓦時，由于單方面考慮了軸瓦硬度和耐磨性的提高，沒有同時考慮軸套的硬度和耐磨性，泵軸軸套和新賽龍軸瓦材料硬度和耐磨性不匹配，是造成運行過程中軸套快速磨損，最終導(dǎo)致軸套和軸瓦完全失效的主要原因。

4 更新改造方案優(yōu)選

4.1 改進(jìn)方案原則

軸和軸瓦作為摩擦副的兩方，在設(shè)備維修更新改造時，不應(yīng)單純考慮一方的材料性質(zhì)，應(yīng)當(dāng)兼顧二者的綜合特性和相互作用。從設(shè)備運行維修維護(hù)的便利性考慮，泵軸和軸瓦材料的硬度和耐磨性中，應(yīng)當(dāng)選擇泵軸軸頸的硬度和耐磨性高于軸瓦，因為泵軸軸頸的處理或軸套的更換往往需要吊出主軸，整個機組設(shè)備包括電動機都需要進(jìn)行拆卸，機組的水平、同心、垂直度、擺度等需要重新調(diào)整，費用高，時間長，而軸瓦拆卸更換簡單，時間短，費用低。

4.2 技術(shù)改造方案選擇

a.方案一：軸套和軸瓦內(nèi)襯都采用硬度比較低的材料。如軸套材料仍使用1Cr18Ni9Ti不變，軸瓦內(nèi)襯材料改為比1Cr18Ni9Ti不銹鋼硬度更小的材料，如橡膠材料。優(yōu)點是材料便宜，同類型橡膠軸瓦價格僅為賽龍價格的1/2，缺點是橡膠材料耐磨性差，特別是不耐干磨，在剛開機水沒潤滑軸瓦時磨損較大，干磨時間稍長，軸瓦溫度升高容易發(fā)生黏著磨損。橡膠內(nèi)襯容易老化，運行中易發(fā)生開膠脫落，并且方案一摩擦副的整體均為不耐磨材料，使用壽命整體較短。

b.方案二：軸套和軸瓦內(nèi)襯都采用硬度高耐磨性強的材料。如軸瓦內(nèi)襯材料采用白色賽龍材料，軸套使用比賽龍材料具有更高硬度和耐磨性材料。軸套和軸瓦都使用高硬度和高耐磨材料，一次性費用較高，但通過提高摩擦副的耐磨性，延長了使用壽命，減少了設(shè)備大修次數(shù)，降低了整體費用。

從長遠(yuǎn)和整體效果考慮，選擇方案二。

5 更新改造具體技術(shù)措施

5.1 摩擦副材料選擇

5.1.1 軸瓦內(nèi)襯材料選擇

軸瓦內(nèi)襯材料選擇白色賽龍材料，其優(yōu)點為：賽龍材料是一種三次交叉結(jié)晶熱凝性樹脂，自恢復(fù)性和彈性好，具有很高的抗沖擊性，能吸收撞擊負(fù)荷，不會永久變形，對泥沙雜質(zhì)不敏感[2]。賽龍水潤滑軸承的動摩擦系數(shù)為0.0207～0.0381，干摩擦系數(shù)0.05～0.09。摩擦系數(shù)低，自潤滑性能好，有很好的抗磨損性，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，由于沒有形成流體動壓潤滑，摩擦系數(shù)較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，形成流體動力潤滑狀態(tài)，摩擦主要為流體內(nèi)的摩擦，摩擦系數(shù)變小且穩(wěn)定。賽龍是一種均質(zhì)材料，使用中不會發(fā)生材料剝落現(xiàn)象，不會發(fā)生黏著磨損，賽龍軸承在無水情況下可以運行30～120s。其化學(xué)性能穩(wěn)定，耐污水，抗老化性強，沒有保存年限的限制。正是由于賽龍材料的優(yōu)良特性，近年來，賽龍軸承在水利、電力、船舶等諸多相關(guān)行業(yè)得到了快速的推廣應(yīng)用，加工技術(shù)日益成熟和穩(wěn)定。

5.1.2 軸套材料選擇

硬度高、耐磨性強的金屬材料有抗磨白口鑄鐵材料、高錳鋼耐磨材料、低合金耐磨鋼、高碳高鉻馬氏體型不銹鋼等，不同的金屬材料有不同化學(xué)成分、組織、性能，適用的環(huán)境也不同。由于高碳高鉻馬氏體型不銹鋼不僅具有高硬度和高耐磨性，而且在大氣、水及某些酸類和鹽類的水溶液中具有優(yōu)良的不銹與耐蝕性[3]，因此本次選擇高碳高鉻馬氏體型不銹鋼作為軸套加工原材料，具體鋼號為95Cr18。經(jīng)過淬火、低溫回火工藝處理后，回火后組織為馬氏體+彌散分布的碳化物+少量殘留奧氏體，硬度可達(dá)62～66HRC。因此用95Cr18加工的軸套硬度高于賽龍材料的硬度，可以形成摩擦副較為合理的搭配。

5.2 軸瓦軸套加工

5.2.1 軸套加工

由于9Cr18馬氏體型不銹鋼含碳量較高，軸套加工在熱處理時，一是要防止淬火裂紋。采取控制加熱升溫速度，控制冷卻出油溫度，及時回火等措施防止淬火裂紋。二是要控制淬火殘留奧氏體量。采用淬火后經(jīng)冷處理再回火的方法，促進(jìn)已經(jīng)存在的殘留奧氏體的分解，減少殘留奧氏體含量，提高軸套硬度，保證軸套在使用過程中組織和尺寸的穩(wěn)定性。

5.2.2 軸瓦加工

軸瓦加工時要嚴(yán)格控制與軸的間隙。間隙過大，運行狀態(tài)不穩(wěn)定，振動較大；間隙過小，不易進(jìn)水，干磨時間過長。賽龍材料在干運轉(zhuǎn)狀態(tài)下超過105℃，在水潤滑狀態(tài)超過60℃，一段時間內(nèi)材料表面先軟化然后均勻斷裂和斷開，發(fā)生水解，影響運行壽命。間隙控制主要考慮兩方面因素：?考慮賽龍材料的水漲系數(shù)，賽龍軸承吸水后體積會有微小的膨脹，取水漲系數(shù)1.3%，以保證賽龍軸承運行時的最小運行間隙。?考慮泵軸的擺度因素，留出合理間隙。

5.3 安裝

嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，避免因安裝不當(dāng)加劇軸瓦磨損，導(dǎo)致軸瓦快速失效。安裝時要注意檢查軸套和軸瓦的光潔度。消除軸套、軸瓦在加工、運輸、裝卸過程中出現(xiàn)的劃痕和毛刺，減小面摩擦系數(shù)，降低運行時的摩擦，減少磨損。軸瓦安裝時做好安裝間隙的檢查和調(diào)整，注意軸瓦的緊固質(zhì)量，防止軸瓦松動。

6 運行效果分析

經(jīng)過對3號機組水導(dǎo)軸瓦和軸套的改造處理，機組重新開機運行，至今已運行1000多h，根據(jù)現(xiàn)場觀察，機組振動和噪聲較小，運行平穩(wěn)。技術(shù)人員對計算機后臺監(jiān)控的振動數(shù)值進(jìn)行了統(tǒng)計分析，考慮到振動儀表的測量誤差、電磁干擾和其他異常因素的影響，將振動數(shù)值統(tǒng)計的置信水平統(tǒng)一設(shè)定為95%。經(jīng)過數(shù)值統(tǒng)計，改造前，3號機組95%置信水平的泵殼振動數(shù)值置信區(qū)間為3.5～5.0mm/s，改造后，泵殼振動數(shù)值置信區(qū)間為1.065～1.855mm/s，振動值大大減小。同時，通過停機對軸瓦和軸套的磨損情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸套和軸瓦光潔度良好，未見明顯磨損，未出現(xiàn)焦灼、磨屑等異常磨損現(xiàn)象。因此，本次技術(shù)改造整體效果良好，達(dá)到了改造目標(biāo)。

7 結(jié) 語

水泵在運行過程中，泵軸軸套和軸瓦是摩擦雙方，更新改造時，需統(tǒng)一考慮二者的硬度和耐磨性，應(yīng)使泵軸軸頸或軸套的硬度和耐磨性適當(dāng)高于軸瓦內(nèi)襯的硬度和耐磨性。通過提高泵軸軸套和軸瓦材料的硬度和耐磨性，并合理搭配，延長了軸瓦和軸套的使用壽命，增強了水泵運行的穩(wěn)定性和可靠性，降低了運行費用，提高了水泵運行效率。