柴油加氫進料泵泵軸抱死原因分析及解決方案

文/陳文俊 李錦輝 何智文

本文作者供職于大連利歐華能泵業有限公司。

對多級離心泵轉軸抱死進行了分析，并提出了維修方案——某化工廠柴油加氫進料多級離心泵運行過程中發生轉軸抱死故障，通過解體檢查抱死發生在平衡鼓位置。本文針對轉軸抱死原因進行了分析，并提出了縮短平衡鼓軸向間隙長度和平衡鼓上開螺旋槽的維修方案。為同類裝置的運行穩定性技術提升以及工程應用提供一定的借鑒。

柴油加氫進料泵是柴油加氫裝置關鍵轉動設備之一，在裝置中起著向反應器輸送待加氫原料油，為最終生產出合格加氫柴油提供先決條件的重要作用。它的安穩運轉直接關系到柴油加氫裝置的安全高效運行。某化工廠240萬t/a柴油加氫裝置于2010年10月投入使用，在2019年10月停泵重起后出現轉軸抱死故障。

泵工況參數

柴油加氫進料泵為FLOWSERVE泵業有限公司生產的8BP-186型多級離心泵，結構為內芯節段式，共6級葉輪，采用強制潤滑軸承。泵輸送介質為汽柴油，密度為772.78 kg/m3，工作溫度為105℃。其基本性能參數為：流量Q=407 m3/h，揚程H=1 189 m，轉速n=2 991 r/min，軸功率P=1 358 kW，效率η=75%。泵軸和葉輪材質均為C-6。泵裝置如圖1所示。

圖1 泵裝置

解體檢查情況

為了查明轉軸抱死原因，需要將柴油加氫泵進行拆解，通過對各零部件進行檢查，發現轉軸抱死位置發生在平衡鼓處。葉輪口環處均無刮蹭，拆卸后軸彎約0.2 mm。泵拆解如圖2所示。

圖2 泵解體

轉軸抱死原因分析

經初步分析，導致泵轉軸平衡鼓處抱死的可能原因如下。

1. 流體中硬質雜質堵塞動靜間隙。平衡鼓與平衡套之間的動靜間隙內有焦炭等硬質雜質顆粒進入，引起轉軸抱死。

2.平衡鼓平衡軸向力作用減弱。由于平衡套與平衡鼓之間的間隙較小，一般為0.2~0.3 mm。隨著泵的高速運轉，在摩擦力的作用下，經過一段時間間隙會逐漸變大。從而使得平衡鼓不能完全平衡軸向力，導致平衡鼓處發生抱死。

3.暖泵工作不到位，負荷驟然加快會引起泵軸抱死。如果機器處于冷狀態中，起動時需要足夠的暖泵工作，因為介質溫度較高，如果暖泵不到位，介質流動中極有可能加大泵內外的溫差，則出現膨脹不均的狀況。此外，泵的補給速度應該均勻，如果驟然間加大補給流量，負荷過重，則會對泵轉軸形成較大沖擊，從而導致轉軸抱死的發生。

4.泵沒有定期盤軸，軸發生彎曲。由于泵長期的運行，停泵后轉軸還處于熱態，如盤車不徹底，尚未處于冷態，一旦長時間停用，轉軸很容易發生彎曲變形，以至于重起時出現轉軸抱死。

5.平衡鼓間隙內發生空化現象。平衡鼓前面是末級葉輪的后泵腔，后面是與吸入口相連通的平衡室。平衡鼓前后存在較高的壓差，介質從高壓到低壓的降壓過程中易發生空化現象，而導致轉軸抱死。

6.平衡鼓軸向長度過大。由于本文研究的多級離心泵泵軸為撓性軸，平衡間隙軸向長度過大，所以不利于控制轉子的抬量，運轉時平衡鼓與平衡套容易發生接觸，從而發生抱軸現象。

解決方案

針對以上可能導致平衡鼓抱死的情況逐一進行排查。

1.解體過程中未發現泵流道內有較大的硬質雜質，排除因硬質雜質進入平衡鼓間隙導致轉軸抱死的因素。

2. 解體后測量平衡鼓間隙值在公差允許范圍內，不是因軸向力不平衡導致的平衡鼓抱死。

3.檢查泵運行操作人員工作日志，暖泵過程按照泵廠家產品手冊要求執行，且運行過程中也沒有突然增加流量的操作。

4.查看值班人員運行日志，每次停泵后均有徹底盤軸記錄，且每周都有進行180°盤軸記錄。

5.針對平衡鼓間隙降壓過程可能存在空化現象進行數值模擬，模型為環形縫隙，直徑為223 mm，長度為265 mm，單邊間隙為0.2 mm。采用網格劃分軟件對間隙模型進行網格劃分，最終生成網格數為2 523 504個，節點數為2 587 745個，如圖3所示。

圖3 平衡鼓間隙CFD模型

采用有限體積法對控制方程進行離散，對流相使用二階迎風格式離散，擴散項選用中心差分格式。在計算域的進口定義壓力為11.89 MPa，出口處壓力為常壓。壁面條件采用無滑移固壁條件，并使用標準壁面函數法處理固體附近流動。

流體介質為105℃的汽柴油，先對流場進行穩態計算，得到穩態流場的計算結果作為汽液兩相計算的初始條件。

平衡鼓間隙內空泡體積分數分布云圖如圖4所示。由圖4可知，間隙內存在局部的空化區域，但區域范圍較小，不會導致轉軸抱死現象發生。

圖4 平衡鼓間隙空泡體積分數分布云圖

6.應用ANSYS Workbench軟件對泵轉子部件進行撓度計算，原平衡鼓位移分布云圖如圖5所示。由圖5可知，平衡鼓處最大位移值為0.10399 mm。

圖5 原平衡鼓位移分布云圖

將平衡鼓長度由265 mm縮短到150 mm，重新進行泵轉子撓度計算，結果如圖6所示，平衡鼓處最大位移值降低到0.085177 mm，比原平衡鼓撓度減小了0.018813 mm。

圖6 平衡鼓改后位移分布云圖

根據平衡間隙泄漏量計算公式，減小軸向間隙長度會使泄漏量增大。在轉軸上開槽型密封，軸旋轉時產生泵送作用，它可以平衡因壓差產生的泄漏量，從而阻止泄漏。同時，當流體中有硬質顆粒時，可以通過螺旋槽流出，尤其是在泵試車階段，極大地降低了轉軸抱死的風險。所以采用在平衡鼓上開螺旋槽的方式降低泄漏量，通過理論計算，選用槽寬為2 mm，槽深為1 mm，頭數為2頭的螺旋槽方案。

改造后運行情況

通過對8BP-186型柴油加氫進料多級離心泵平衡鼓結構進行更改，泵重新起動運行至今狀態平穩，未出現轉軸抱死等故障，證明了減小平衡鼓間隙長度和增加螺旋槽的方案是可行的。●