多級離心泵密封件磨損對運行效率的影響實驗

陳明華，何 杉，張少鋒，葉 劍，李 進(jìn)

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司機(jī)電中心，天津 300452；2.北京天際翔達(dá)科技有限公司，北京 100176；3.中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司，天津 300131）

1 實驗背景和目的

海上平臺關(guān)鍵泵類采取狀態(tài)維修的方式，20%以上的設(shè)備大修周期延長到20 000 h 以上，但長周期運行的設(shè)備密封件會逐步磨損。內(nèi)部部件的均勻磨損，在設(shè)備振動狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)方面并沒有直接特征，但設(shè)備已存在效率下降、能耗上升的問題。如何合理安排大修時間點，成為采取狀態(tài)維修策略后，設(shè)備管理面臨的重要問題。為此，通過實驗研究的辦法，研究多級離心泵動靜配合密封件泄漏對設(shè)備效率的影響，為安排合理大修周期提供依據(jù)。

2 泵體結(jié)構(gòu)及機(jī)組主要參數(shù)

（1）實驗設(shè)備采用海上平臺實際使用的一種泵型，泵體水平中開、葉輪分高壓和低壓兩端對置的KHP115-55×7 型多級離心泵（圖1）。泵內(nèi)主要密封件包括葉輪前密封換、后密封環(huán)、以及高壓段與低壓端之間的中間襯套。

圖1 KHP115-55x7 多級離心泵

（2）泵機(jī)組的主要參數(shù)見表1。

表1 多級離心泵機(jī)組主要參數(shù)

3 實驗裝置、實驗原理、方法及步驟

3.1 實驗裝置

多級離心泵實驗裝置組成主要包括泵實驗臺、潛水泵、管路回路、循環(huán)水池、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)等，如圖2 所示。

圖2 多級離心泵實驗裝置

3.2 實驗原理

泵的總效率η 等于容積效率ηv、水利效率ηh和機(jī)械效率ηm三者的乘積，見式（1）。本實驗研究葉輪前密封、葉輪后密封、中間襯套在不同磨損條件下容積損失對總效率的影響。查閱相關(guān)資料可知，理論上，揚(yáng)程是容積損失的二次函數(shù)，見圖3。

由實驗用多級離心泵的結(jié)構(gòu)可知，可造成內(nèi)部泄漏損失的主要部件包括葉輪前、后密封以及高壓段與低壓端之間的中間襯套。葉輪前、后密封泄漏時，由葉輪出口經(jīng)前密封回流本級葉輪入口，經(jīng)后密封回流葉輪與隔板間隙。中間襯套泄漏時，流體則由高壓段經(jīng)中間襯套回流低壓段葉輪后密封。

圖3 揚(yáng)程-容積損失曲線

3.3 實驗方法

調(diào)節(jié)設(shè)備運行參數(shù)，保障入口參數(shù)（閥門開度、入口壓力、入口流量）、出口閥門開度、出口流量相同的條件下，分別測試正常工況，實驗件輕度磨損、嚴(yán)重磨損條件下的電氣參數(shù)、出口壓力及性能參數(shù)，其中性能參數(shù)中的效率為總效率；具體測試參數(shù)見表1。輕度磨損和嚴(yán)重磨損均參考同型號設(shè)備拆檢維修數(shù)據(jù)，其中輕度磨損實驗將密封件外圓車去0.4 mm，嚴(yán)重磨損將外圓車去1 mm。

表2 實驗數(shù)據(jù)

表3 泵機(jī)組主要參數(shù)及參數(shù)變化情況

3.4 實驗步驟

分別測試正常條件下（部件無磨損）、前密封環(huán)輕度磨損、前密封環(huán)嚴(yán)重磨損、后密封環(huán)輕度磨損、后密封環(huán)嚴(yán)重磨損、級間套輕度磨損、級間套嚴(yán)重磨損等情況下的機(jī)組運行參數(shù)。

4 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)見表2。由表2 記錄數(shù)據(jù)可得泵機(jī)組主要參數(shù)及參數(shù)變化情況（表3）。

5 多級離心泵測試數(shù)據(jù)對比分析

（1）泵的入口管在地下水池，水位波動和循環(huán)水流導(dǎo)致吸入壓力（真空度）有3～5 kPa 的波動，在相同閥門開度下吸入流量有0～1 m3/h 的偏差。流量數(shù)據(jù)對比時，流量數(shù)據(jù)不是與正常工況對比，而是出口流量與入口流量數(shù)據(jù)對比，因此并影響數(shù)據(jù)分析，依然可認(rèn)為各組數(shù)據(jù)是在同等工況下的測試結(jié)果。

（2）前、后密封環(huán)、中間襯套磨損，出口流量與入口流量的差值為0～1 m3/h，差值很小，但總體體現(xiàn)出泵的實際出口流量因內(nèi)部泄漏略小于入口實際流量（部分?jǐn)?shù)據(jù)出入口流量相等，與流量表的精度有一定關(guān)系，是本實驗測試儀表選用需改進(jìn)的地方）。

（3）前密封環(huán)、中間襯套磨損，電機(jī)電流顯著上升，電機(jī)轉(zhuǎn)子負(fù)荷增加，負(fù)荷增加與磨損程度正相關(guān)；后密封環(huán)磨損，電機(jī)電流下降，與磨損程度負(fù)相關(guān)，這與后密封環(huán)泄漏介質(zhì)沒有直接進(jìn)入入口流道有關(guān)。

（4）前、后密封環(huán)、中間襯套磨損，出口壓力、揚(yáng)程、效率顯著下降，并與磨損程度變化趨勢一致；同等磨損程度下，前密封環(huán)、中間襯套對出口壓力、揚(yáng)程、效率的影響比后密封環(huán)影響大1 倍以上。

6 結(jié)論

（1）前密封環(huán)、后密封環(huán)、中間襯套磨損對流量影響很小，即對容積效率影響很小。

（2）前密封環(huán)、后密封環(huán)、中間襯套磨損，造成的內(nèi)部泄漏量很小，但對出口壓力、揚(yáng)程、泵效影響很大，符合理論上揚(yáng)程與容積損失的二次函數(shù)關(guān)系。前密封環(huán)、中間襯套磨損但對出口壓力、揚(yáng)程、泵效影響比后密封環(huán)磨損影響更顯著。

（3）實驗方法是分別實驗各部件磨損對設(shè)備效率的影響，實際運行中的設(shè)備，各部件磨損進(jìn)程基本是同步進(jìn)展，因此設(shè)備的效率變化應(yīng)是三者之和。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)多級離心泵內(nèi)部密封件輕度磨損時，效率下降13%；嚴(yán)重磨損時，效率下降22%。在嚴(yán)重磨損條件下，若設(shè)備連續(xù)運行4000 h，因效率下降設(shè)備增加的能耗成本為90 kW×4000 h×0.8 元×0.22=63 360 元。

7 建議

（1）泵內(nèi)密封件磨損時，出入口流量差值變化很小，由此難以判斷設(shè)備內(nèi)漏情況。可對比相同工況下設(shè)備的出口壓力、揚(yáng)程、功率數(shù)據(jù)變化情況，半定量判斷設(shè)備的內(nèi)部密封件磨損泄漏趨勢及嚴(yán)重程度。

（2）狀態(tài)維修的設(shè)備，不宜單純追求設(shè)備的長周期運行，應(yīng)綜合考慮設(shè)備運行周期、設(shè)備機(jī)械可靠性、性能狀態(tài)及能耗、設(shè)備大修成本，以確定合適的設(shè)備大修時間段，同時保障設(shè)備運維的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在設(shè)備達(dá)到嚴(yán)重磨損階段時，應(yīng)盡早安排設(shè)備大修。