離心泵選型的注意事項

文/王輝 戴貴榮 趙錦蓉 魏藝璇

離心泵作為一種通用機械，在航天航空、石油化工以及農(nóng)業(yè)排灌等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，對于各種生產(chǎn)裝置的正常運行起著至關(guān)重要的作用。由于懸浮顆粒物的磨蝕造成離心泵失效廣泛存在于各種工程實踐中，Roco M C 分析顆粒的運動規(guī)律后得出過流部件的磨損原因為顆粒的直接沖擊、紊亂沖擊和滑動摩擦。

趙以奎通過數(shù)值模擬分析得出隨著顆粒直徑的不斷增大，固體顆粒呈現(xiàn)向葉輪工作面偏移的趨勢，由此造成葉輪工作面的切削磨損；固相體積濃度的增加對顆粒在葉輪流道內(nèi)的分布略有影響；葉輪的磨損主要發(fā)生在葉輪進口處和葉輪的出口段。

劉娟通過高速影像技術(shù)研究得出大質(zhì)量的顆粒的運動軌跡包角大，軌跡偏向葉片工作面，對葉片工作面的撞擊幾率大，撞擊的區(qū)域集中在葉片頭部和工作面的中前部；小質(zhì)量顆粒的運動軌跡向葉片工作面方向的偏轉(zhuǎn)較小，與葉片工作面的撞擊幾率較小，且撞擊區(qū)域集中在葉片的頭部和出水邊。

楊敏官通過試驗發(fā)現(xiàn)葉輪流道中間軸截面上，在葉輪進口處多為小粒徑顆粒，分布較均勻；沿徑向，逐漸有大粒徑顆粒，且大部分位于壓力面及附近，吸力面及其附近區(qū)域多為小粒徑顆粒，至出口處大粒徑顆粒分布趨于均勻。由此可見，輸送含有微量懸浮顆粒液體時的磨損破壞不容小視，在前期離心泵選型過程中就應(yīng)考慮該因素，以確定合適的泵型。

圖1 原始方案結(jié)構(gòu)圖

表1 膜過濾循環(huán)泵工藝參數(shù)

失效案例分析

案例背景

下圖為某15 萬t 精制鹽水項目供貨一批鈦材離心泵，其裝置中膜過濾循環(huán)泵工藝參數(shù)具體如表1 所示，前期初步選型為單級閉式葉輪型離心泵，采用常規(guī)背靠背式雙端面非集裝式機械密封，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示。

該泵在現(xiàn)場運行約4 個月后，現(xiàn)場性能無法滿足，對泵進行解體，拆檢后發(fā)現(xiàn)泵體、葉輪以及泵蓋有不同程度的磨損。泵體磨損部位主要為與葉輪口環(huán)配合處，形成約5mm 深的凹形槽，葉輪與泵體形成的前泵腔處也產(chǎn)生輕微磨損，如圖2 所示；葉輪葉片進口基本完好，葉片出口工作面有輕微磨損，如圖3 所示，葉輪口環(huán)處磨損嚴重，形成約為2mm 深的凹形槽，如圖4 所示；泵蓋與葉輪形成的空腔內(nèi)有明顯沖刷痕跡，如圖5 所示；機械密封及軸套磨損，腔體內(nèi)堆積大量結(jié)晶物，彈簧元件被結(jié)晶物卡死致使機封失效。

原因分析

前期選型泵為閉式葉輪，葉輪前后蓋板與泵體、泵蓋形成的腔體，介質(zhì)顆粒物于前泵腔A 處堆積，形成“砂輪磨損”效應(yīng)，致使泵體口環(huán)處及泵體前腔壁磨損；介質(zhì)通過葉輪平衡孔進入后泵腔在B 處堆積，同樣致使泵蓋產(chǎn)生磨損。原機械密封采用雙端面多彈簧結(jié)構(gòu)的非平衡型機封，介質(zhì)可以通過機封腔進入彈簧元件，致使其卡頓失效。

圖2 泵體磨損示意圖

圖3 葉輪出口工作面磨損示意圖

圖4 葉輪口環(huán)處磨損示意圖

圖5 泵蓋磨損示意圖

改進方案

針對以上問題及原因分析，對現(xiàn)泵型結(jié)構(gòu)進行改型，改型后結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6 所示，具體分析如下：

1.泵體前泵腔增加前耐磨板；

2.葉輪更換為半開式葉輪，取消葉輪前蓋板，控制葉輪與前耐磨板之間間隙≤1 mm，避免懸浮顆粒的堆積，使懸浮顆粒的流動性更好；

3. 取消平衡孔，葉輪后蓋板增設(shè)背葉片，以平衡軸向力；懸浮顆粒在背葉片離心力的作用下不易進入密封腔，達到防止固體顆粒在密封腔沉積的目的。

4. 葉輪與泵蓋間增設(shè)后耐磨板，控制葉輪與后耐磨板之間間隙≤1mm，避免懸浮顆粒進入后泵腔；

5. 泵蓋整改為大錐腔結(jié)構(gòu)，腔壁設(shè)計成條形導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)，防止顆粒在密封腔堆積，且有利于停車后介質(zhì)從機封腔排走；

6. 機械密封采用我公司獨特設(shè)計的彈簧元件外置式集裝式雙端面機械密封，彈簧固定在彈簧座上不轉(zhuǎn)動，補償性好；其彈簧不會與介質(zhì)接觸，不會發(fā)生像一般機封因彈簧腐蝕，結(jié)晶物卡頓使彈簧失效等問題；其密封面液膜的形成靠API682 中PLAN 54外沖洗的沖洗液，減少密封面磨損。

圖6 改型后結(jié)構(gòu)剖面圖

離心泵選型注意事項

化工離心泵的選型是至關(guān)重要的一項工作，在選型前期，首先要明確最基本的選型條件，現(xiàn)對選型過程中，介質(zhì)的物化特性及現(xiàn)場工況參數(shù)的注意事項作一說明：

輸送介質(zhì)的物理化學特性

輸送介質(zhì)的物化特性直接影響著泵的性能、材料及結(jié)構(gòu)，是選型時需要考慮的首要因素。如介質(zhì)特性（腐蝕性、磨蝕性以及有毒性等）、含固量及顆粒的大小以及介質(zhì)密度及粘度等。當介質(zhì)中含固量較大時，應(yīng)考慮泵型是否滿足工況要求，含固量過大，應(yīng)選取渣漿泵或旋流泵；當介質(zhì)粘度過大時，應(yīng)對性能參數(shù)進行換算，因為對于葉片泵而言，隨著介質(zhì)粘度增大，其流量、揚程下降，所耗功率增加；對容積泵而言，隨著介質(zhì)粘度增大，一般泄漏量下降，容積效率增加，泵的流量增加，但其總效率下降，泵的功耗增加。

工況參數(shù)

現(xiàn)場工況參數(shù)是泵選型的最重要的依據(jù)，最基本參數(shù)有流量、揚程、進/出口壓力、溫度及現(xiàn)場裝置汽蝕余量和操作狀態(tài)等。其中流量在選型過程中要按額定流量考慮，操作溫度按最大溫度考慮，尤其注意溫度對介質(zhì)特性的影響，工藝操作有可能導(dǎo)致介質(zhì)溫度發(fā)生變化，溫度是影響介質(zhì)粘度和汽化壓力的重要因素。

結(jié)論

1. 輸送含有微量懸浮固體顆粒時，葉輪的磨損主要表現(xiàn)在出口段的工作面。

2. 開式葉輪可以有效地避免泵體與葉輪配合處產(chǎn)生“砂輪效應(yīng)”。

3. 當輸送介質(zhì)中含有固體顆粒或易結(jié)晶物時，離心泵軸向力的平衡方式不宜采用平衡孔，可采用背葉片形式，以防止顆粒物通過平衡孔進入后泵腔造成泵蓋磨損。

4.錐形密封腔有助于防止顆粒在摩擦副堆積，且有利于停車后介質(zhì)從機封腔排走。解決在惡劣工礦條件下（含微量固體顆粒、介質(zhì)易結(jié)晶和溫度高）機封使用壽命短的問題。