循環(huán)乙烷泵軸承止推瓦磨損故障分析及處理

張小勤,劉紹靜

(1.廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000；2.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣州

510631)

1 概述

P-470A/S循環(huán)乙烷泵是將裂解爐出來(lái)的副產(chǎn)品乙烷返回裂解爐再裂解成乙烯的關(guān)鍵設(shè)備。2臺(tái)泵(一開(kāi)一備)經(jīng)常發(fā)生擺動(dòng)大、運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、由于外部因素導(dǎo)致前軸承磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，頻繁停車(chē)檢修不僅大大增加維護(hù)成本，且影響乙烷的回收，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，有必要分析其磨損故障的根本原因，采取有效措施，確保正常生產(chǎn)。

循環(huán)乙烷泵為低溫立式單級(jí)單吸蔽泵(圖1)，型號(hào)VR215-5SH-2SZJSP，工作溫度-41 ℃，揚(yáng)程42.6 m，流量22 m3/h，轉(zhuǎn)速2 950 r/min，效率48%，介質(zhì)為乙烷，介質(zhì)密度0.474×103kg/m3。葉輪直徑φ198 mm×φ86 mm×φ42 mm，葉輪背面對(duì)稱(chēng)開(kāi)6個(gè)φ4 mm的平衡孔(圖2)以平衡軸向力。其軸承采用圓柱型滑動(dòng)軸承，材質(zhì)為石墨。

1—軸套；2—軸；3—前軸承座；4—軸承；5—后軸承座；6—葉輪；7—?dú)んw

圖2 平衡孔示意圖

2 故障分析

利用軸位移監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)P-470A/S泵的軸位移變化情況，結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，泵運(yùn)行9天內(nèi)，軸位移越來(lái)越大，第9天時(shí)軸位移已超過(guò)了允許值(3.5 mm)。

表1 泵的軸位移變化情況

軸位移超過(guò)允許值后解體檢修發(fā)現(xiàn),后止推瓦無(wú)磨損，前止推瓦磨損嚴(yán)重，并出現(xiàn)脫落和裂紋。

3 故障原因分析

通過(guò)對(duì)泵的運(yùn)行觀察分析及參考有關(guān)資料可知，造成前止推瓦磨損的原因主要有：1)泵吸入不良；2)軸承潤(rùn)滑不良；3)軸承振動(dòng)；4)軸向力過(guò)大。

3.1 泵吸入不良

如果介質(zhì)中偶爾帶水，泵吸入不良時(shí)會(huì)出現(xiàn)抽空，造成轉(zhuǎn)子竄動(dòng)[1]。根據(jù)觀察，泵出口壓力、流量等參數(shù)正常，泵未出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，因此，泵吸入不良不是主要故障原因。

3.2 軸承潤(rùn)滑不良

前后軸承均由自身介質(zhì)潤(rùn)滑、冷卻，如果潤(rùn)滑油性能差，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停轉(zhuǎn)的短時(shí)間內(nèi)，由于潤(rùn)滑油供油滯后,高速運(yùn)轉(zhuǎn)下產(chǎn)生干摩擦,止推軸承易出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象[2]。通過(guò)對(duì)泵解體檢查和潤(rùn)滑液過(guò)濾分析，確定潤(rùn)滑液無(wú)雜質(zhì)，因此軸承潤(rùn)滑不良不是主要故障原因。

3.3 軸承振動(dòng)

軸承振動(dòng)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，振動(dòng)范圍均在允許值(不大于0.71 mm/s)之內(nèi)；雖然振動(dòng)值有上升趨勢(shì)，但在因軸位移超過(guò)允許值檢修之前，振動(dòng)一直未超標(biāo)，且檢修前發(fā)現(xiàn)前止推瓦磨損嚴(yán)重，后止推瓦無(wú)磨損，因此可判斷是止推瓦磨損引起了振動(dòng)值上升，軸承振動(dòng)不是主要故障原因。

3.4 軸向力過(guò)大

泵在啟動(dòng)或停車(chē)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的軸向力。另外，泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因葉輪前后蓋板所受壓力不平衡而產(chǎn)生的軸向力也通過(guò)轉(zhuǎn)子組件作用于推力軸承上[3-4]。

軸向力要靠葉輪平衡孔調(diào)整，葉輪制造或使用不當(dāng)均會(huì)使軸向力過(guò)大，甚至超出軸承的允許范圍。這種情況下，軸承止推瓦極容易產(chǎn)生異常磨損[5]。

3.4.1 泵的軸向力

泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，作用在泵轉(zhuǎn)子上的軸向力Fa為[6-7]

Fa=Fa1+Fa2+Fa3，

(1)

式中：Fa1為葉輪前、后置板不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的軸向力，指向葉輪吸入口方向；Fa2為動(dòng)反力，指向葉輪后面；Fa3為轉(zhuǎn)子質(zhì)量引起的軸向力。

1)葉輪前、后置板不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的軸向力Fa1

葉輪前、后置板不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的軸向力分布如圖3所示。圖中：Hp為勢(shì)揚(yáng)程；Rm為葉輪口環(huán)半徑，Rm=43 mm；R2為葉輪外圓半徑，R2=99 mm；Rh為葉輪輪轂半徑，Rh=21 mm；Rn為密封環(huán)半徑，Rn=90 mm；RB為平衡分布圓半徑，RB=28 mm。

圖3 葉輪前、后置板不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的軸向力分布

葉輪前、后置板不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的軸向力為

，(2)

以上結(jié)果是基于泵腔內(nèi)沒(méi)有徑向流的假設(shè)計(jì)算出來(lái)的，但實(shí)際上密封環(huán)處有間隙，存在泄漏，會(huì)產(chǎn)生徑向液流，使泵內(nèi)液體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有所改變。由于前蓋板泵腔內(nèi)密封環(huán)處的泄漏液流使前蓋板上的壓力減小，因此，實(shí)際的軸向力比理論計(jì)算偏大[8]。

根據(jù)對(duì)泵平衡力的測(cè)定，實(shí)際軸向力一般為計(jì)算軸向力的1.8～2.2倍，按1.8倍計(jì)算時(shí)Fa1實(shí)=986 N。

2)動(dòng)反力Fa2

動(dòng)反力與泵的理論流量成正比，由于泵的流量較小，因此Fa2可忽略不計(jì)。

3)轉(zhuǎn)子質(zhì)量引起的軸向力Fa3

由轉(zhuǎn)子質(zhì)量可得Fa3=300 N。

綜上可得作用于泵轉(zhuǎn)子上的總軸向力Fa=1 286 N。

3.4.2 泵的平衡能力

1)平衡孔平衡掉的軸向力Fa平

平衡孔平衡掉的軸向力分布如圖4所示。

圖4 平衡孔平衡掉的軸向力分布

由圖4可得

(3)

則有

(4)

Sn=Dnπb，

式中：q為泄漏量；h1，h2，h3，h4分別為葉輪壓降、密封環(huán)壓降、密封間隙壓降、平衡孔壓降；ξn為密封間隙阻力系數(shù)，ξn=2.2；ξB為平衡孔阻力系數(shù)，通常取ξB=2；uB為平衡孔外圓圓周速度；Z為平衡孔個(gè)數(shù)；SB為平衡孔總面積；Sn為密封間隙過(guò)流面積；dB為平衡孔孔徑；Dn為密封環(huán)直徑；b為密封間隙，b=0.28 mm；λ為摩擦阻力系數(shù)， 一般λ=0.04～0.06 ，取λ=0.05；L為密封間隙長(zhǎng)度，L=8 mm。

平衡孔平衡掉的軸向力為

(5)

代入數(shù)據(jù)可得Fa平=585.9 N。

2)止推瓦承受的壓力F止

F止=Fa-Fa平=700.1 N。

3)止推瓦承受的應(yīng)力P止

P止=F止/S止，

(6)

式中:S止為止推瓦受力面積；de為止推瓦外徑，de=0.075 mm；di為止推瓦內(nèi)徑，di=0.042 1 mm。將數(shù)據(jù)代入(6)式可得P止=0.23 MPa。

4)止推瓦平均速度V止

V止=πdmn/60,

(7)

dm=(de+di)/2，

式中：dm為止推瓦平均直徑。代入數(shù)據(jù)可得V止=9.04 m/s。

根據(jù)《機(jī)械零部件通用設(shè)計(jì)手冊(cè)》，有液態(tài)烴潤(rùn)滑的石墨材質(zhì) [PV]≤1.5 MPa·m·s-1。P止V止=2.08 MPa·m·s-1>[PV]，即止推瓦上的壓力超過(guò)了其承受能力，破壞了潤(rùn)滑油膜，使止推瓦與止推盤(pán)的接觸表面產(chǎn)生磨擦，造成止推瓦嚴(yán)重磨損[9]。因此，軸向力過(guò)大是主要故障原因。

4 軸向力的平衡措施

通過(guò)以上分析可知，平衡孔軸向力的平衡能力與葉輪外徑、密封環(huán)直徑、密封間隙、平衡孔孔徑、平衡孔數(shù)量等因素有關(guān)，經(jīng)試驗(yàn)分析及反復(fù)測(cè)算，通過(guò)增加平衡孔孔徑來(lái)消除軸向力的效果最佳，將平衡孔孔徑增加到φ5 mm，分布圖如圖5所示。

圖5 改造后平衡孔分布圖

增大平衡孔孔徑后P止V止=0.52 MPa·m·s-1<[PV]，其平衡軸向力的能力大大提高，作用在止推瓦上的壓力減小[11]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)力學(xué)分析，確定軸向力過(guò)大是造成循環(huán)乙烷泵止推瓦磨損的原因，增加平衡孔孔徑后經(jīng)運(yùn)行證明，止推軸承壽命超過(guò)10個(gè)月，泵的應(yīng)力、流量平穩(wěn)，運(yùn)轉(zhuǎn)周期明顯提高，從根本上解決了故障問(wèn)題，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行，大大節(jié)約了維修費(fèi)用。