立式多級筒袋泵電機電流增大原因分析及處理

于杰鵬

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100）

1 概 述

中海石油華鶴煤化有限公司（簡稱華鶴煤化）300kt／a合成氨裝置采用托普索工藝，合成冷凍工段液氨罐區共有2臺冷氨泵（A／B，一開一備），其作用是將氨罐區2臺常壓液氨貯罐（單壁貯罐，單臺容積5000m3）中-33.9℃的低溫液氨連續送出，并經氨加熱器加熱至25℃后送520kt／a尿素裝置。

華鶴煤化冷氨泵為大連深藍泵業有限公司生產的LDB-A80-65X8-7型立式懸吊泵，為立式、兩層殼體、（多級部分）徑向剖分結構離心泵，外殼體直徑800mm、深3850mm，外殼（筒袋）只承受泵入口壓力，外殼長度以及泵的安裝深度取決于對NPSHa汽蝕性能的要求；中軸為三段軸套連接形式，多級部分葉輪為單吸徑向式，配有單級殼體，第一級葉輪為雙吸式葉輪；軸向力主要由平衡盤平衡，向心推力球軸承承受殘余軸向力，軸承依靠軸承箱內潤滑油進行潤滑，并有獨立的內循環自動潤滑系統；流體動力潤滑徑向滑動軸承位于泵的多級部分入口端，軸端密封為雙端面機械密封，并帶有沖洗液封及冷卻系統。冷氨泵原動機為佳木斯電機股份有限公司生產的三相異步電機，其型號為YB3-315-2。冷氨泵主要性能參數見表1，其結構如圖1。

表1冷氨泵主要性能參數

圖1 冷氨泵結構簡圖

2 故障現象

2020年3月26日冷氨泵B整體大修結束后，于當日09：33啟動，各項運行指標均正常，電機電流190A（正常運行指標）。2020年3月29日白班操作人員發現冷氨泵B電機電流緩慢增大，當日23：33電流增至211A，備用冷氨泵A投用，當即停運冷氨泵B，檢修人員在線檢查冷氨泵B機械密封、止推軸承，復查對中后試泵，問題得不到解決。2020年4月7日在線調整冷氨泵B平衡盤間隙，試泵電流仍超高，接近230A的聯鎖值，且泵盤車伴隨有剮蹭。鑒于當時冷氨泵B運行存在較大風險，如果葉輪口環抱死（即動、靜部分剮蹭），將會對葉輪、泵軸、導葉等造成不可逆的損傷，且短時間內難以修復，系統有減產風險。本著保障設備本體安全的原則，決定對冷氨泵B解體大修，以便查找其電機電流增大的原因，消除設備運行隱患。隨后對冷氨泵B進行隔離置換，解體發現其多級葉輪口環出現剮蹭、泵體石墨軸襯磨損嚴重。

3 故障原因分析與排查

3.1 故障可能原因推測

通過對現場情況的初步分析，判斷冷氨泵B運行過程中轉動部件與靜止部件發生碰磨，即葉輪口環與泵體口環摩擦產生高溫，其表面金屬軟化、磨損，如此惡性循環，加劇各部件的磨損；當磨損達到一定程度后，泵效率會受到影響，導致轉子平衡量改變、出現噪音及運行電流增大，最終轉動部件與靜止部件抱死而致設備本體損傷。

進一步分析，可能有以下五方面的原因：①各部件安裝間隙不合適，運行時發生異常摩擦；②泵出現“抽空”，聚集的熱量增多使介質溫度升高而致其內部異常磨損；③口環間隙超標；④泵軸彎曲度過大，致口環徑向（累計）間隙超過泵體口環間隙最小值；⑤轉子動不平衡。

3.2 故障可能原因排查

（1）經查實，在前一次大修安裝過程中冷氨泵B嚴格按照相關檢修規程及制造廠提供的數據表進行安裝，各部位間隙均正確，檢修記錄可查，且解體檢查未發現安裝方面存在問題，故基本可排除裝配方面的原因。

（2）泵運行過程中如發生“抽空”，泵出口流量及壓力將會大幅波動，但查看冷氨泵B運行曲線及泵出口流量、壓力，冷氨泵B電機電流升高前后整體運行平穩，各項運行參數均正常，故可排除“抽空”及工況方面的原因。

（3）結合前一次設備維修時口環間隙數據與口環跳動量（表2）及軸彎曲度測量數據（入口軸襯0.03mm、一級葉輪安裝位0.02mm、下軸襯安裝位0.01mm、中軸襯安裝位0.01mm、下徑向軸承安裝位0.01mm、上徑向軸承安裝位0mm、多級入口軸封0.02mm、止推軸承安裝位0mm、聯軸節安裝位0mm），葉輪初裝到主軸上后，其口環旋轉過程中存在徑向偏差，泵體的中段口環也存在徑向偏差。葉輪每完成一個圓周轉動，會有某個旋轉角度，局部出現葉輪與殼體口環徑向間隙的最小值或最大值，且旋轉的主軸會有輕微彎曲和變形，產生轉子的最大撓度。當這種徑向跳動極限值與最大撓度值疊加后，某一級葉輪與殼體口環的徑向間隙局部動態出現最小間隙；但有關數據表明，總體上冷氨泵B仍可滿足0.40～0.45mm［1］的口環間隙設計指標。

表2 冷氨泵B的葉輪口環安裝間隙值與口環跳動量mm

（4）冷氨泵B解體檢查中，發現其起到轉子徑向定位作用的軸襯（石墨滑動軸承）磨損量嚴重超標（設計值0.2～0.3mm），特別是多級部分進口段及出口段軸襯磨損量達3.61mm，為此，問題的分析方向轉為確定軸襯（石墨滑動軸承）異常磨損的原因。

3.3 故障原因深入分析

3.3.1 徑向滑動軸承（軸襯）工作原理

據立式多級筒袋泵的工作原理可知，其軸采用剛性軸設計，需對插入深度較長的軸增加輔助支撐以使軸在運轉過程中保證其剛性。冷氨泵泵軸分為三段，對應三段流體動力潤滑徑向滑動軸承（軸襯）提供徑向支撐，其材質為滲硅石墨，是由碳、石墨基體材料經硅化處理形成的，具有摩擦系數小、自潤滑性能好、硬度高、耐磨蝕等優點。石墨為層狀晶體結構，石墨晶體表面由解理面和棱面構成，解理面是一個低粘附力的低能量表面，石墨與金屬摩擦的過程中，石墨晶體發生層間解理，分離出的碎斷石墨鱗片容易粘附在對磨（互相磨損）的金屬表面而形成薄層轉移膜，當轉移膜完全形成后，石墨與金屬之間的對磨過程就變成了石墨與石墨之間的摩擦，摩擦因數顯著降低，其磨損速度也逐漸降至恒定值。

3.3.2 軸承（軸襯）異常磨損分析及結論

經分析確認，由于冷氨泵主軸分為三段，每段由接軸套筒固定，最終形成一個細長主軸，而保證三段軸同心度的除了泵軸自身的彎曲度，還有接軸套筒連接兩段軸的精度，如果其連接精度不好，就會造成三段軸在接合處形成夾角；冷氨泵運行過程中，由于石墨軸襯間隙較小，就會不斷地受到擠壓力和復合機械力的作用，造成軸襯的磨損，間隙增大以后，轉子運行中的振動隨之增大，間隙不斷增大直至軸襯的直徑間隙接近葉輪口環動態最小間隙而造成口環的碰磨，其直觀的現象就是冷氨泵電機電流增大，若不及時發現并處理，接下來很有可能會造成泵體口環抱死，帶來不可逆的設備損傷。

綜上，通過對可能原因的分析與排查，最終確認本次故障的根本原因是冷氨泵B多段組合軸結合后同心度不良致主軸直線度無法保障，導致泵軸運行中對石墨軸襯產生擠壓磨損，而解決問題的根本辦法是提高三段軸結合的同心度。

4 故障處理

檢修過程中，對冷氨泵B所有部件配合間隙及尺寸進行確認（符合設計要求），更換新的石墨軸襯及超差的葉輪口環，確認三段軸的彎曲度符合要求。其中，檢修中最關鍵的一點是需對三段軸的安裝方式進行優化：接軸套筒與軸端安裝位置的間隙（測量值）只有0～0.01mm，以往都是選擇熱拆裝，即采用乙炔火焰加熱接軸套筒使其膨脹，配合間隙增大后再安裝，但由于乙炔火焰加熱溫度無法精準控制，且局部溫度不同（存在溫差），易導致接軸套筒各部位熱膨脹變形量不一致，即安裝后的三段軸軸向會形成一定的夾角，無法保證其同心度；經分析與論證，本次檢修最終選用機械敲擊法安裝接軸套筒，即采用較長的專用套管直接將力作用在接軸套筒上，且在端面上均勻用力，利用接軸套筒的彈性變形將接軸套筒安裝到位。

5 結束語

針對冷氨泵B（立式多級筒袋泵）電機電流增大問題，初步分析發現其電機電流增大、口環剮蹭只是表象，深入分析后，精準地找到了問題的癥結所在——冷氨泵B多段軸結合后主軸的同心度不良。之后，通過檢修及安裝方式的優化，冷氨泵B三段軸的軸向同心度得到保證，接合后主軸的直線度滿足了要求。2020年4月14日冷氨泵B檢修結束后，試泵及運行正常，近6個月以來其運行狀況良好，再未出現電機電流增大的現象。