立式長軸泵泵軸損壞分析及替代方案比較

楊燕秋

上海電氣電站集團工程公司 上海 201199

1 立式長軸泵簡介

立式長軸泵是一種離心泵，采用立式安裝，具有結構緊湊、操作簡單、啟動前無需灌泵或抽真空、耐汽蝕性能好、占地面積小和工作效率高等優點[1]。此類泵可以用來輸送清水、雨水、氧化鐵皮水、污水、具有腐蝕性的工業廢水和海水等液體。

立式長軸泵結構如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1 立式長軸泵結構示意圖

立式長軸泵由于具有眾多優點，在火力發電站中有廣泛應用。以印度尼西亞R項目為例，該項目為海邊燃煤發電站，采用海水作為凝汽器冷卻水，并配有海水淡化系統。電站中采用的小型立式長軸泵配置見表1。

2 長軸損壞原因分析

雖然立式長軸泵具備多種優點，但是由于泵軸很長，如果系統設計、設備安裝、運行維護或泵本身存在缺陷的話，在調試及后續運行中極易出現泵軸磨損、彎曲甚至斷裂的現象。軸的彎曲過大將增大水泵轉子的晃度，晃度增大將增加密封環及導葉襯套間隙，如果襯套間隙過大，還會形成渦流，引起水泵振動，降低水泵效率及使用壽命，嚴重的情況下會造成停泵，甚至系統癱瘓。尤其是小型立式長軸泵，由于安裝地點多，長軸較細，易被制造、安裝及運行人員忽視，導致損壞點頻繁出現。在R項目調試、運行期間，立式長軸泵經常發生振動偏大的現象。經過檢修拆解，發現有多臺各種型號立式長軸泵的泵軸不同程度反復出現了磨損、彎曲甚至斷裂的現象。

圖2 立式長軸泵實物圖

由圖1可以看出，立式長軸泵的泵軸主要可以分為電機軸、傳動軸及葉輪軸。如果液下深度較深的話，傳動軸還可分為多個軸段，一般所說的泵軸彎曲指的是傳動軸彎曲。可以從設備運行管理、安裝、設計、質量及系統等方面入手[2]分析造成泵軸損壞的主要原因。

表1 R項目小型立式長軸泵配置

2.1 現場運行管理

泵軸彎曲是造成水泵振動大的原因之一，在現場發現水泵振動偏大之后，首先可以檢查水泵的運行環境是否符合說明書要求，例如：使用工況是否與設計工況差別較大，從而使泵產生徑向力；水體中是否有較多雜質硬物，吸入泵內，對泵軸造成損害；保護是否失靈，在低水位時未能及時停泵甚至長時間干轉，造成水泵各部件之間干摩擦；中間軸承是否磨損過大或損壞，如果沒有進行及時更換，會引起水泵的徑向不均勻跳動，并對長軸造成磨損[3]。

2.2 安裝質量

如果水泵運行條件及各部件狀況符合說明書要求，則需檢查水泵基礎、管道支撐是否牢固，安裝水平度是否超差，各泵軸、電機軸是否達到同軸度要求。根據美國一項研究表明，大約50%的機械設備損壞是由于軸的同軸度校準不當所致[4]。此外，填料壓得過緊，造成抱軸現象，也會導致軸因摩擦發熱而變形或磨損。

2.3 設計及質量

長軸泵本身設計上的不足可導致泵軸損壞，主要表現在以下幾個方面。

(1) 軸的直徑過細或每一段軸的長度設計不合理，會造成軸剛度不足[5-6]，導致在運行中容易彎曲變形。

(2) 軸沒有保護，當輸送介質中顆粒物較多時容易使軸磨損。

(3) 軸的材料無法耐受通流介質，特別是具有一定腐蝕性的介質，根據介質含鹽量可以采用 316L 不銹鋼或雙相不銹鋼等。

(4) 軸的加工問題。加工中如有制造誤差或對中不良等問題，產生以離心力為表征的周期性干擾力，從而會引起泵軸彎曲[7]。又如每根軸的同軸度超差或者連接后整體軸的同軸度超差，將加速導致軸承的磨損，進而對軸造成損傷[8]。

(5) 軸承座與軸承加工問題，使軸承與軸間隙過大，軸與軸承同心度差，易出現軸的抖動現象，長期運行會對軸造成損害[9]。

(6) 聯軸器設計不當，導致軸松脫，造成軸的損壞。

2.4 回路系統設計問題

在回路系統設計時需考慮泵的運行環境，即流體環境。在進水流態不理想的情況下，需要設置導流錐等保護措施。如果與其它泵共用流道，由于進水流道的不合理設計使進水條件惡化，產生漩渦，會導致立式長軸泵振動并對長軸造成損害[10]。此外，需合理選型，避免水泵由于偏離設計工況而導致各過流部件損壞。

3 處理方法

3.1 校軸

如果是運行維護或安裝問題導致軸彎曲的話，可以將軸送入加工廠進行校軸。

3.2 換軸

如果軸損壞較為嚴重，表面有裂紋，或由于沖刷形成較深的溝痕，多次校軸而又彎曲，或者由于軸制造本身存在問題，那么需要聯系制造廠家進行換軸。

3.3 換泵或改進設計

如果由于泵設計存在問題或者系統設計不合理，那么需要對泵進行改進，增加護軸套管，更換軸的材料，增長軸的直徑等，或采用其它泵型進行替換。

4 技術替代方案比較

除了上述對立式長軸泵泵軸的處理方法之外，還可以從項目設計初期考慮用其它設計方案進行替代。這些替代方案雖然避免了一些立式長軸泵帶來的運行風險，但也有局限性。

4.1 深挖泵房

馬來西亞B項目采用了深挖泵房，降低取水深度的設計方案。B項目使用附近河流作為凝汽器循環冷卻水的補水及全廠其它用水的水源，業主方負責引水至河水提升泵房，河水經過提升進入原水水庫，再經過一次提升后進入原水預處理系統。B項目的河水提升泵房取水方案如圖3所示，采用立式長軸泵取水的印尼R項目循環水泵房前池取水方案如圖4所示。

B項目河水提升泵房及原水水庫泵房中取水泵的配置見表2。

對比圖3及圖4，可以看出B項目將泵房挖深，使得水泵取水深度大幅減小，采用可靠性較高、維護更便利的臥式離心泵來替代立式長軸泵，減小了長軸泵泵軸損壞帶來的風險，但同時增加了土建的工程量、管道長度等，使得施工工期及費用有所增加。

圖3 B項目河水提升泵示意圖

圖4 R項目海水提升泵示意圖

表2 B項目取水泵配置

4.2 采用自吸泵或潛水泵

在某些情況下，考慮到運行維護便利，可以采用自吸泵或潛水泵來替代立式長軸泵。自吸泵安裝示意圖如圖5所示，潛水泵實物如圖6所示。

圖5 自吸泵安裝示意圖

圖6 潛水泵實物圖

當然，上述兩種泵型也有局限性。自吸泵的取水深度有限，一般允許吸深不超過5m。此外，自吸泵的效率也較立式長軸泵低，汽蝕余量小，更易發生汽蝕破壞，啟動時間更長[11]。這些都需要在設計排水坑及泵選型時加以考慮。

潛水泵由于整個泵及電機都浸沒在輸送介質中，特別需要考慮材質在輸送介質中的耐受性。如果介質是海水，則要采用耐海水腐蝕的不銹鋼等材料，這使得造價會有所上升。另外，連接電機的電纜也有一部分浸泡在水中，特別是電機與電纜的接頭處，如果在運輸、存放或施工中不慎被劃傷，則會導致水泵在調試中發生電機短路故障。

綜上所述，當在可間歇運行、輸送介質條件較差場合，不在關鍵位置且作為排水泵時，上述兩種泵型不失為替代立式長軸泵的優選，但需注意設計、使用得當。

5 結束語

在取水深度較深的情況下，立式長軸泵因其占地面積小、效率高、總體經濟性好等特點成為優選。但是，如果不能預防長軸易損壞的問題，則會給電廠的生產運行造成不利影響。因此，在回路系統設計及泵選型時,除了選擇優質的設備供應商外，還需要考慮項目現場安裝、運行人員的技術水平，尤其對于海外電廠項目，輸送補件的條件均較差，且不利于及時維修，更應慎重評估。

另一方面，在綜合考慮水泵的用途、工程造價、施工工期等因素后，也可以采用深挖泵房、使用自吸泵或潛水泵替代立式長軸泵等方案。

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