屏蔽泵石墨軸承失效原因分析

張 健

作者通聯(lián)：吉林石化公司有機合成廠丁苯橡膠車間 吉林吉林市龍?zhí)秴^(qū)遵義東路7號 132021

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一、屏蔽泵的結(jié)構(gòu)原理與特點

屏蔽泵的電機和泵構(gòu)成一個整體，定子的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子的外表面有非導(dǎo)磁性的耐腐蝕金屬薄板密封焊接，使定子繞組和轉(zhuǎn)子鐵芯與輸送液體完全隔開，不會受到輸送液的浸蝕。另外，葉輪與轉(zhuǎn)子裝在一根軸上，由電機前后2個軸承支撐。整個轉(zhuǎn)子體浸沒在輸送液中，液部與外界沒有貫通的轉(zhuǎn)動零部件，因而是一種無泄漏結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 屏蔽泵結(jié)構(gòu)示意圖

1.屏蔽泵的優(yōu)點

（1）輸送液體不會泄漏，適合于輸送對人體有害的、強腐蝕性的、易燃、易爆的、昂貴的、有放射性的液體。

（2）不會從外界吸入空氣或其他東西，適合于真空系統(tǒng)的運行和一接觸外界空氣就變質(zhì)的場合。不需要注入潤滑液和密封液，既省去了注油的麻煩，也不會污染輸送液。

（3）適合輸送高溫、高壓、超低溫、高熔點液體，這是有軸密封的泵難以輸送的。

（4）電機與泵一體，采用積木式結(jié)構(gòu)，非常緊湊，所以體積小、重量輕、占地面積小，在安裝方面無須熟練技術(shù)。因無冷卻電機風(fēng)扇，所以運轉(zhuǎn)聲音很小。主要維護只是更換軸承，運行成本低。

2.屏蔽泵的缺點

（1）由于屏蔽泵采用滑動軸承，且用被輸送的介質(zhì)來潤滑，故潤滑性差的介質(zhì)不宜采用屏蔽泵輸送。一般適合屏蔽泵輸送的介質(zhì)的黏度為0.1～20mPa·s

（2）屏蔽泵的效率通常低于單端面機械密封離心泵，而與雙端面機械密封離心泵大致相當。

（3）長時間在小流量情況下運轉(zhuǎn)，屏蔽泵效率較低，會導(dǎo)致發(fā)熱使液體蒸發(fā)而造成泵干轉(zhuǎn)，從而損壞滑動軸承。

二、屏蔽泵使用中存在的問題

丁苯橡膠車間所用屏蔽泵，主要輸送丁二烯。丁二烯為具有微弱芳香氣味的無色氣體，易液化。沸點-4.41℃，相對密度0.6211（20/4℃），凝固點-108.91℃，閃點＜-6℃，折射率nD（-25℃）1.4292。臨界溫度152℃，臨界壓力4326.58kPa，臨界密度0.245g/cm3。屏蔽泵2008～2012年共出現(xiàn)故障18次，更換石墨軸承24個、葉輪1件，轉(zhuǎn)子軸2根，更換軸承監(jiān)視器12個，其他部件損壞較少。

泵振動(振動值＞6.5mm/s)增加后，后端軸承部位有異響，軸承監(jiān)視器指針到紅區(qū)。拆檢機泵，發(fā)現(xiàn)后端石墨軸承磨損嚴重，摩擦面上有較深的溝痕，軸套和止推盤有不同程度的磨損。

（2）泵過載跳閘，軸承監(jiān)測器指向紅色報警。拆檢發(fā)現(xiàn)前、后石墨軸承有不同程度的破碎。

（3）泵體振動劇烈，出口壓力波動較大，入口管線有雜音，調(diào)整出口閥門開度后稍有緩和，工作狀況介質(zhì)溫度稍高，出口壓力不穩(wěn)定。觀察運行兩天后，軸承監(jiān)測器指向紅區(qū)報警，拆檢發(fā)現(xiàn)屏蔽泵前后石墨軸承有不同程度的破裂，止推盤有磨損，表面因過熱變藍。

（4）2010年7月丁二烯輸送泵P-102A切換后發(fā)現(xiàn)泵體溫度36℃，遠遠高出物料溫度19℃，拆檢發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動零部件均正常，處理平衡管時發(fā)現(xiàn)管內(nèi)存有丁二烯聚合物，反向平衡管基本堵塞。疏通后試泵，運行正常。

（5）操作失誤，操作條件不符合屏蔽泵的運行條件，造成屏蔽泵軸承失效。一次丁苯橡膠車間停車檢修后開車時，丁二烯混合輸送泵P-101A發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。開車時，P-101A泵出口壓力0.45MPa，沒有流量，泵頭以及管線有雜音，明顯氣蝕現(xiàn)象。停泵進行排氣操作，點車啟泵，但還是發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。檢查丁二烯儲存罐液位及壓力，400m3球罐液位為21%，壓力0.19MPa，判斷為球罐液位和壓力低，造成丁二烯物料汽化。進行倒料操作，使球罐液位升高，當液位為35%，壓力0.28MPa時啟泵，出口壓力為0.8MPa，流量達到12.9m3/h，滿足生產(chǎn)需要。屏蔽泵氣蝕原因是泵入口壓力低，造成丁二烯沒有進泵時就氣化了。

另一次P-101A泵振動大，軸承監(jiān)視器指針到紅區(qū)，對該泵拆檢，發(fā)現(xiàn)石墨軸承損壞，同時在屏蔽泵尾部軸承與軸承監(jiān)視器間發(fā)現(xiàn)長20mm螺栓一個，螺栓已經(jīng)磨圓，判斷軸承損壞是因泵掉入螺栓，顯然是檢修期間丁二烯儲罐沒有清理干凈，造成泵吸入雜物，使屏蔽泵軸承損壞。

從泵的失效形式可以看出，屏蔽泵故障主要是石墨軸承的損壞，轉(zhuǎn)子軸和葉輪的損壞也大多是因為石墨軸承的損壞引起的，而石墨軸承損壞的主要形式為磨損和破裂。

三、石墨軸承失效原因分析

1.磨損損壞

磨損破壞的軸承有12個，引起磨損破壞的主要原因是磨料磨損和腐蝕磨損。通過對工藝流程檢查分析，磨料來自工作介質(zhì)，主要由兩部分組成，一是丁二烯儲存罐的材料為16MnR，介質(zhì)已經(jīng)運行30年，腐蝕老化嚴重，產(chǎn)生大量鐵銹，并隨工作介質(zhì)進入機泵。二是由于回收丁二烯中帶有堿顆粒以及部分TBC阻聚劑顆粒，這些小顆粒隨丁二烯進入泵體以及石墨軸承引起摩擦面表面擦傷，嚴重者出現(xiàn)條痕和溝槽，產(chǎn)生的新磨屑殘留在摩擦面上，形成新磨料，使磨損情況加劇，最后導(dǎo)致石墨軸承的摩擦面磨損失效。

另外，由于丁二烯中帶有部分堿，可以溶解和腐蝕石墨中浸漬的樹脂。浸漬樹脂從石墨中解析出來，影響了石墨軸承摩擦表面的致密度，軸承耐磨性降低。針對丁二烯物料中含有堿以及TBC阻聚劑的問題，應(yīng)該考慮浸潤巴氏合金的石墨軸承，以提高耐腐蝕性和耐磨性。

2.破裂損壞

破碎損壞的軸承有4個，這種損壞主要是軸承受熱后再急劇降溫所致。屏蔽泵的冷卻和潤滑是用泵出口的介質(zhì)，壓力為0.8MPa，通過循環(huán)液管從前石墨軸承的尾部進入前端石墨軸承座腔，再從前端軸承的內(nèi)表面螺旋線槽進入軸承潤滑面，形成潤滑流動液膜，并帶走軸承產(chǎn)生的熱量。從前端軸承推力端面的螺旋槽流出后，再順著定子和轉(zhuǎn)子之間微小的間隙到達后端軸承，從后端軸承推力端面的螺旋槽進入后軸承內(nèi)表面的螺旋槽，最后從后部的循環(huán)液出口返回葉輪吸入口，形成泵的整個潤滑冷卻循環(huán)。

在運行中如果丁二烯液位及儲罐內(nèi)壓力低，會導(dǎo)致泵入口壓力低，工作介質(zhì)丁二烯就在泵的吸入口負壓區(qū)汽化，形成氣液混合物，使泵內(nèi)部呈半抽空或者抽空狀態(tài)，使得石墨軸承得不到很好的潤滑和冷卻，一方面軸承與軸套、軸承與止推墊片之間的流動液膜遭到破壞。另一方面，軸承產(chǎn)生的熱量帶不走，石墨軸承的溫度快速升高，使得石墨軸承的韌性大大降低，并且泵氣蝕后，運轉(zhuǎn)噪聲和振動增大并產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，引起石墨軸承載荷周期性變化。石墨軸承在邊界摩擦和周期性沖擊載荷兩方面的作用下，轉(zhuǎn)子軸隨之前后竄動，最終導(dǎo)致石墨軸承表面破壞。

3.炸裂損壞

這種損壞的軸承有4個，損壞原因多是因泵抽空或回液管堵塞時，由于丁二烯比較容易自聚，產(chǎn)生的自聚物堵塞泵入口過濾器以及泵反沖洗管線，機泵不能通過物料的自身循環(huán)冷卻轉(zhuǎn)子軸和石墨軸承等轉(zhuǎn)動件，使摩擦表面在無潤滑、無冷卻的干摩擦狀況下運行，導(dǎo)致軸承摩擦表面溫度急劇升高、膨脹變形，一旦遇到恢復(fù)較冷的循環(huán)液體時，高溫表面受到冷卻，快速收縮，導(dǎo)致石墨軸承內(nèi)外收縮速度不同，引起石墨軸承表面開裂，形成如同炸裂的徑向裂紋，此時的表面極易脫落。造成泵抽空，一是因管線堵塞，泵入口過濾器堵塞或氣阻，二是人為誤操作所致。

四、改進措施

（1）為防止顆粒雜質(zhì)進入機泵，將泵入口管道過濾器的濾網(wǎng)改為100目的過濾網(wǎng)，并對過濾器每個月清洗、檢查一次。

（2）每三個月對屏蔽泵的循環(huán)冷卻管進行檢查、拆檢、清洗一次，保證對軸承的潤滑冷卻及電機的冷卻，每季度對泵體電機循環(huán)水系統(tǒng)拆清一次，處理堵塞部位，保證有足夠的冷量對泵體冷卻。

（3）制定嚴格的丁二烯屏蔽泵操作規(guī)程，加強巡檢，強化操作培訓(xùn)，加大考核力度。嚴格按照機泵的操作規(guī)程操作。啟動前要詳細檢查屏蔽泵出入口狀態(tài)，排凈泵腔內(nèi)的氣體，使泵內(nèi)充滿液體。運行中嚴格控制丁二烯儲罐內(nèi)液位，應(yīng)＞35%，防止工作介質(zhì)中的丁二烯汽化。嚴禁機泵抽空，杜絕在任何情況下機泵的空運轉(zhuǎn)。

五、結(jié)論

通過對丁二烯屏蔽泵使用過程中遇到的一些問題，如泵過熱、異常振動、氣蝕等進行分析，在使用及維護中采取相應(yīng)措施，如定期清洗泵入口過濾器、疏通反向循環(huán)管、疏通泵體冷卻水管線、加強巡檢、加強檢修質(zhì)量管理等，問題基本得到解決，現(xiàn)在丁二烯屏蔽泵運行周期為1.8年。