消防水站立式多級穩壓泵平衡鼓改造

龐喜

（中海油東方石化有限責任公司運行五部，海南 東方 572600）

1 概況

某煉油廠消防水站消防穩壓泵P-03A/B為湖南耐普泵業有限公司的80DL-20×4型立式四級多級泵。該型機泵在運行過程中曾出現振動偏高、軸承溫度高、盤不動車等多種問題，直接影響機泵安全平穩運行及消防水系統穩定。

2 平衡鼓的結構

離心泵在運行時，轉子上會作用著軸向力，此作用力會使轉子沿軸向移動，轉子移動會造成動靜部位摩擦，因此必須設法消除或平衡此軸向力。多級離心泵平衡軸向力的方式一般為平衡盤裝置和平衡鼓結構。消防穩壓泵P-03A/B所采用的是平衡鼓結構來平衡轉子軸向力。

平衡鼓是一個圓柱體，裝在泵的末級葉輪背后，隨轉子一起旋轉。平衡鼓外圓表面與泵體間形成徑向間隙。平衡鼓前面是末級葉輪的后泵腔，內部壓力為P3，此處壓力較高；后面通過平衡管與吸入口相連通的平衡室，內部壓力為P5，此處壓力較低。如圖1所示。

圖1 平衡鼓工作原理圖

因此，平衡室中的壓力P5等于吸入室中液體壓力與平衡管中阻力損失之和。平衡鼓與泵殼密封環之間有極小的間隙（通常約0．2～0．3mm），所以平衡鼓兩側有很大壓力差△p=P3-P5，就是利用這個壓力差來平衡指向入口方向的軸向推力。為了減少從平衡鼓前的高壓區漏向平衡室，平衡鼓套之間隙應盡量小，有時也將其制成迷宮形式。采用這種裝置，一方面可平衡軸向力，另一方面可減小密封腔內壓力，使兩端密封腔內壓力基本相同。平衡鼓裝置只能平衡軸向推力，不能限制轉子的位置，且在工況變動時，轉子會無規律的竄動，造成殘余不平衡力，因此裝有平衡鼓的泵，必須加裝止推軸承裝置。

3 離心泵盤不動車的原因分析

離心泵盤不動車的原因通常有以下幾種：第一，葉輪被異物卡阻。第二，軸彎曲。第三，聯軸器被異物卡阻。第四，動靜部件損壞。第五，動靜部件生銹等。通過對該分段式多級離心泵的拆卸檢查，逐步排除了異物卡阻、動靜部件損壞、軸彎曲等原因，最終確認其主要原因是平衡鼓與平衡套生銹，兩者之間的間隙被鐵銹填滿，平衡鼓失效進而導致轉子抱死，具體情況如下。

3.1 軸彎曲檢查

圖2 泵軸剖分圖

根據圖2所示的泵軸剖分，選擇合適的軸彎曲度測量點以進行軸彎曲檢查。泵軸徑50mm，泵軸彎曲（mm）“0”位以對輪鍵向上，從對輪端看，順時針轉。

表1 主軸彎曲度、橢圓度、錐度表

從表1數據可見，該泵泵軸未發生彎曲。

3.2 動靜部件檢查

（1）軸承檢查。該泵采用了SKF 7310B/DB角接觸球軸承。①拆檢前，在泵殼外用紅外線電子測溫儀檢測發現軸承發熱現象；拆檢后，觀察軸承表面有輕微疲勞磨損痕跡。②使用一只手握住軸承內圈，另一只手旋轉該軸承外圈，旋轉起來平穩，沒有阻擋感，沒在軸承溝道內有異物的存在。軸承在旋轉過程中，未發現“嚓嚓”的摩擦聲。

（2）平衡鼓和平衡套檢查。平衡鼓的間隙常取0．2～0．3mm。平衡鼓的泄漏量很大，一般約為設計點流量的5%～25%。拆檢過程中，發現該泵原平衡鼓及平衡套材質均為HT250，為珠光體類型的灰鑄鐵。

灰鑄鐵的特性如下：①灰鑄鐵因其中含有石墨，石墨是很好的潤滑劑，故灰鑄鐵具有良好的潤滑性能和減磨消震性能。既有利于潤滑，可經受滑動摩擦，又能有效吸收設備振動的能量，從而起到阻尼的作用。②灰鑄鐵具有良好的導熱性能，可迅速將大量的熱量導走。因此，以灰鑄鐵作為平衡鼓和平衡套的材質選擇具有其合理性。但是，因為輸送介質的特性，灰鑄鐵的作用可能就會受限。

平衡鼓與平衡套腐蝕生銹，兩者之間的間隙被鐵銹填滿，導致平衡鼓失效進而轉子抱死，盤不動車。初次拆檢修復后間隙逐漸變大，增大至約0．5mm，泄漏量也隨之增大，造成平衡鼓平衡軸向力的效果降低。不平衡的軸向力加重了SKF 7310B/DB止推軸承的負荷，使軸承較之前溫度升高，加快損壞；另外，可使轉子向入口竄動，造成振動并可能磨損口環，使轉子與定子部分摩擦，進而使泵損壞。如圖3所示。

圖3 立式多級離心泵結構示意圖

平衡鼓和平衡套灰鑄鐵材質是否適用于現在的運行工況，則需通過對輸送介質進行化驗分析來判斷。消防水補水的來源是新鮮水，且消防水站位于沿海地區，其詳細分析數據見表2。

表2 新鮮水化驗分析數據表

為防止給水系統腐蝕，對于金屬管道來說，pH值維持在8．8～ 9．3更為理想。從表 2數據顯示，pH(25℃)=7．6，遠小于理想值。

綜上所述，因輸送介質消防水的特性，灰鑄鐵材質的平衡鼓和平衡套并不適用于此種運行工況。

4 改造

4.1 改造方案

經過與廠家溝通、技術論證和調研，最終選定平衡鼓與平衡套分別變換為1Cr13馬氏體不銹鋼平衡鼓和ZCuZn16Si4鑄硅黃銅平衡套。

1Cr13馬氏體不銹鋼的特性如下：①具有耐化學腐蝕和電化學腐蝕性能。②耐熱、耐高溫，還耐低溫。③具有很高的強度、硬度，適于制造既耐腐蝕又需要高強度、高耐磨性的零件。

ZCuZn16Si4鑄硅黃銅的特性如下：①具有較高的力學性能；②具有良好的耐腐蝕性。

不銹鋼平衡鼓和黃銅平衡套的使用，降低了兩者之間的膠粘作業，既不會被介質腐蝕，又減少了內部泄漏。此外，將轉子重新做動平衡，減少質量不平衡帶來的振動影響。

4.2 改造效果

按照上述改造方案對立式多級穩壓泵進行拆裝改造，并利用離線監測手段對止推軸承進行振動數據采集，如圖4和圖5所示。

圖4 SKF 7310B/DB角接觸球軸承水平方向振動速度頻譜圖

圖5 SKF 7310B/DB角接觸球軸承垂直方向振動速度頻譜圖

（1）振動值分析。根據GB 10889-1989《泵的振動測量與評價方法》的泵的分類，該立式多級穩壓泵轉速1480r/min，中心高（取立式泵的出口法蘭密封面到泵軸線間的投影距離的相當尺寸）300mm，屬于第二類別。從圖4和圖5的SKF 7310B/DB角接觸球軸承振動速度頻譜圖所示，其水平方向振動值為0．9513mm/s，垂直方向振動值1．618mm/s，均小于2．8mm/s，屬于B級，即該泵可以長期運行是合格狀態。

（2）軸承故障特征頻率分析。SKF 7310B/DB角接觸球軸承的故障特征頻率（階次）分別為：①BPFO（滾珠通過外環頻率，表示在軸旋轉一周的過程中，軸承外環的缺陷被滾珠或滾子經過的次數）：4．906。②BPFI（滾珠通過內環頻率，表示在軸旋轉一周的過程中，軸承內環的缺陷被滾珠或滾子經過的次數）：7．094。③FIFO（保持架過外環頻率，這為滾子或滾珠圍繞軸承移動的相對于外環的速度）：0。④FTFI（保持架過內環頻率，這為滾子或滾珠圍繞軸承移動的相對于內環的速度）：0．409。⑤BSF（滾動體自轉頻率，表示在軸旋轉一周的過程中，單個滾動體在圈內轉動的次數）：2．03。

從圖4和圖5的頻譜圖所示，該泵SKF 7310B/DB角接觸球軸承未出現軸承故障特征頻率。

綜上所述，可判斷該立式多級穩壓泵經過改造后數月，運行狀況穩定，未發現異常現象。機泵日常例行檢查時，定期盤車輕松，軸承溫度正常。

5 結語

隨著立式多級離心泵在石油化工生產行業中的廣泛運用，因設備配件材質與物料性質、工藝要求、使用環境等因素的綜合作用導致設備運行工況不良。采用上述分析研究方法，減少了故障，提高了工作效率。

參考文獻：

[1]劉在倫．浮動葉輪自動平衡離心泵軸向力的理論分析[D]．蘭州：蘭州大學，2006．

[2]關醒凡．現代泵技術手冊[M]．北京:宇航出版社,1995．