德士古氣化裝置除氧水泵發生故障的原因及解決辦法

蔣先廣

(陜西未來能源化工有限公司 陜西榆林719000)

德士古氣化裝置除氧水泵(1開1備)的主要作用是將脫氧水槽脫氧后的灰水送至碳洗塔洗滌，洗滌后的水再循環或用于鎖斗加壓，一旦該泵發生故障，氣化及后續生產系統將立即停車。

1 除氧水泵存在的問題

除氧水泵為節段式自平衡多級泵，型號為ZDF300-80，泵與電機軸承均采用強制潤滑方式，帶加長軸雙模片聯軸器，六級葉輪對稱布置，功率1 250 kW，轉速2 980 r/min，流量300 m3/h，揚程800 m，介質為含少量細渣的氣化灰水，溫度為109～123 ℃，入口壓力為0.15 MPa。由于轉子部件對稱布置，各級葉輪所產生的軸向力基本相互抵消，不需采用平衡盤或平衡鼓結構就能實現軸向力自動平衡，殘余軸向力由非驅動端強制潤滑金斯伯雷止推軸承承擔。葉輪密封環、級間密封環、軸封密封環采用反螺旋無接觸密封；出水段設在中部，具有高壓水泵低壓密封的特點。

該泵投運前期，機械密封頻繁泄漏，經多次維修，效果不明顯。運行1年后，泵振動較大，軸往復竄動明顯，流量嚴重不足，被迫停車檢修。

2 故障原因分析

2.1 機械密封頻繁泄漏

除氧水泵投運初期，機械密封基本不漏。運行一段時間后，機械密封出現滴狀連續泄漏，對設備運行影響不大，未引起重視，久而久之泄漏越發嚴重。經多次更換機械密封，效果不明顯。

經檢查、分析發現，問題出現在機械密封沖洗水上。除氧水泵吸入段位于驅動端一側，入口壓力為0.15 MPa，次級吸入段位于非驅動端一側，入口壓力為4.00 MPa，驅動端機械密封比非驅動端機械密封的端面比壓要低，要求的密封沖洗水壓力不一樣，密封沖洗水壓力一般比被密封介質壓力高0.20～0.30 MPa，即驅動端機械密封沖洗水壓力應為0.35～0.45 MPa，非驅動端機械密封沖洗水壓力應該為4.20～4.30 MPa。然而，由于生產企業過分相信反螺旋反抽的原理，未計算沖洗水壓力，泵兩端的機械密封沖洗水全部設計使用0.40 MPa脫鹽水。0.40 MPa脫鹽水對于驅動端機械密封而言，壓力正好，該側機械密封故障率較低；對于非驅動端而言，壓力遠遠不夠，含細渣的高溫灰水進入摩擦副導致機械密封受損，泄漏量逐漸增大，同時軸襯反螺紋因得不到干凈的外沖洗水沖洗，反螺紋逐漸被細渣磨蝕掉，進一步加劇了機械密封的泄漏程度。

2.2 流量降低

(1)首級葉輪因氣蝕產生孔洞，葉輪出口流量降低。脫氧水槽鮑爾環填料頻繁脫落進入管道，積聚在泵入口過濾器前，管道流通面積減小甚至堵塞管道，造成泵入口流量低于泵設計工況而產生氣蝕，首級葉輪蓋板多處穿孔。待填料清理完畢、泵入口管道通暢后，葉輪穿孔回流，使得流量損失大，造成泵的流量不足。

(2)葉輪蓋板與導葉蓋板存在摩擦現象，說明葉輪與導葉對中偏離較大，造成泵流量下降。

(3)級間密封磨損，容積泄漏損失偏大。轉子和定子在徑向產生了摩擦，使得級間反螺旋被嚴重磨損，造成級間回流泄漏較大。另外，含有細渣的酸性高溫灰水經過級間密封后，對反螺旋逐漸磨損和腐蝕，是造成級間密封失效的另一大原因。葉輪口環密封、出水段和吸水段之間的級間密封均為單向反螺旋密封，材質不耐磨，在沒有外沖洗水的情況下，受到含細渣灰水磨損，間隙變大導致液體回流損失大，造成泵流量偏低。

2.3 設備振動偏大

(1)氣蝕造成設備振動較大。發生氣蝕時，吸水室內液體發生汽化，產生許多氣泡，氣泡內充滿蒸汽和液體中析出的氣體，氣泡隨著液體被帶到壓水室的葉輪高壓區，在高壓的作用下迅速凝結而破裂，同時，周圍的流體質點以高速沖向原來氣泡占有的空間，質點相互撞擊而形成高頻的局部水擊，壓力可高達上千兆帕，使首級葉輪受到損壞，并造成設備振動較大。

(2)由于葉輪和導葉對中偏離，導致泵振動大。導葉輪和導葉蓋板間相互摩擦，使水泵劇烈振動。同時，由于葉輪和導葉對中不好，流量下降，葉輪出口返回的流體形成的反動力，也是泵振動大的原因。

在維修或更換非驅動端機械密封時，必須拆卸止推軸承。止推盤與軸是過盈配合，拆卸止推盤時，敲擊導致轉子整體向非驅動端移動，當安裝推力盤(熱裝)后，沒有校對軸的竄量，導致葉輪和導葉沒有對中以及止推盤與非工作瓦塊間隙過小，維修人員采取減小軸承壓蓋墊片厚度的方法調整止推軸承間隙。泵運轉時，轉子前后竄動，導致對中較差。

(3)轉子晃度偏大，導致泵體強烈振動。拆檢時發現，葉輪口環有明顯的摩擦痕跡。檢測軸的晃度后發現，軸中間部位跳動值為0.08 mm，標準為≤0.05 mm；軸頸部位跳動值為0.04 mm，標準為≤0.02 mm。軸的晃度超標引起泵振動大，其原因是暖泵不充分所致。

泵體在運行前未進行充分預熱，當高溫液體突然進入冷態的泵體后，轉子馬上受熱，由于轉子尺寸小且四周受熱，比定子受熱要快。轉子在靜止狀態下受熱，由于主軸上、下受熱不均勻，會使主軸產生一個向上彎曲的熱變形，加大轉子不平衡的離心力，使轉子和定子徑向間隙縮小，在轉子熱撓度較大時，動靜部分徑向間隙可能消失，轉子在旋轉時與定子發生摩擦，從而導致泵體本身的強烈振動。

3 問題解決方法

機械密封沖洗水壓力設計不當是造成機械密封泄漏的主要原因；氣蝕致葉輪穿孔、軸的工作竄量和晃度大，是導致泵的流量減小和振動偏大的根本原因。

3.1 提高沖洗水壓力

非驅動端機械密封沖洗水的壓力應為4.20～4.30 MPa，從熱電車間引入干凈的冷凝液作為非驅動端密封沖洗水，嚴格控制其壓力在4.20～4.30 MPa，解決了機械密封頻繁泄漏的難題。

3.2 對脫氧水槽進行技術改造，

在不減少流通面積的前提下，將脫氧水槽塔盤厚度加大，提高其強度，防止因熱應力變形而塌盤；使用厚度大、受熱不易變形材質的鮑爾環，防止其因受熱變形從塔盤中被擠出脫落進入管道。改造后，填料不再脫落，解決了因填料脫落堵塞管道致使入口流量低造成泵氣蝕的問題。

3.3 重新測定泵的竄量

對中導翼，葉輪和止推盤定位后，以調整扇形瓦背墊片的方法，確保止推軸承間隙符合標準，防止軸竄量超標。設備維修回裝過程中，止推盤裝好后，測定轉子竄量，葉輪和導葉對中后，以增加或減少止推軸承瓦背墊片來調整軸承間隙。

(1)轉子竄量的測定

葉輪和導葉兩中心對準時，首級葉輪吸入側到導葉的距離，即b1值(圖1)是泵的最大竄量。多級泵運行中，當首級葉輪中心與導葉中心正好對準時，泵的水力損失小、效率最高，是理想的經濟運行狀態。大修裝配之后，應達到此要求。一般情況下，b1=3 mm，b2=2 mm，只要b1值確定，導翼也即對中，首級葉輪b1可以作為泵的工作竄量。

圖1 b1和b2的示意

(2)止推軸承間隙的測定

止推盤的主要作用是給轉子定位，主要任務是吸收殘余軸向力，根本目的是防止導翼不對中以及轉子和定子之間發生摩擦。所以，安裝止推軸承時，應嚴格檢查軸的工作竄量，使得轉子定位后，嚴格控制推力盤兩側的間隙。一方面保證動油壓楔形油膜的建立，使軸承正常工作；另一方面，防止轉子軸向位移偏大，葉輪和導葉蓋板貼住和導翼不對中。

除氧水泵止推軸承為金斯伯雷止推軸承，止推瓦塊下面有上水準塊、下水準塊和基環，屬于3層結構(圖2)。止推瓦塊與墊在下面的上水準塊、下水準塊和基環之間采用球面支點接觸，保證止推瓦塊和水準塊可以自由擺動，使載荷分布均勻。止推瓦塊一般采用25號鋼，上面澆注巴氏合金，厚度一般為1.0～1.5 mm。止推盤與止推瓦塊之間留有間隙，此間隙通常稱為工作總竄量，一般為0.36～0.46 mm，可以保證止推盤和瓦塊之間形成油楔，承受轉子的軸向推力。

圖2 金斯伯雷止推軸承

3.4 設置暖泵管線

在泵的進、出口各配Φ25 mm聯通管線，配有截止閥控制流量。當其中一臺泵運轉時，可開啟閥門給另一臺泵供熱水，熱水經過泵后回到泵的入口管線，觀察備用泵不反轉即可，這樣能保證暖泵充分。另外，加強盤車管理，每班盤車1次，軸旋轉180°，防止轉子晃度變大。

3.5 提高反螺旋輪齒的硬度

泵的原設計是在反螺旋密封齒表面上鍍硬鉻來提高硬度，在壓差大的部位增加密封環的厚度，使級間滲漏盡可能地減少。但氣化灰水中含有大量的Cl-，其對鉻腐蝕嚴重，當鍍層被腐蝕磨損掉后，反螺旋密封齒的使用壽命大大縮短。可采用滲碳的辦法來提高反螺旋密封齒的硬度，提高反螺旋的耐磨和耐腐蝕性能，大幅度延長了反螺旋密封的使用壽命。

4 結論

經過技術改造和嚴格按照技術標準檢修后，除氧水泵實現了長周期穩定運行，大幅度減輕了維修勞動強度和減少了系統停車次數，每年節約了大量的維修資金，說明上述檢修方法是可行的和成功的。