通過平衡孔擴孔解決泵軸向力過大的問題

楊遠鵬，程新民

（中國石油廣東石化分公司，廣東揭陽 515200）

0 引言

某石化公司裝置氣液分離罐底泵P-205B 為大連蘇爾壽泵及壓縮機股份有限公司制造，型號為ZE88-4500。裝置自2015年大修投產以來，運行效果一直不理想，聯軸器端止推軸承運行溫度長期偏高，一個月內連續發生兩起軸承損壞事故，嚴重影響裝置的長周期運行。技術人員對該泵軸承運行溫度偏高的原因進行認真分析，最終通過葉輪平衡孔擴孔的方式，徹底解決了因泵軸向力過大導致的軸承運行溫度偏高的問題。

1 離心泵故障現象

2016 年6 月24 日，裝置崗位人員巡檢時發現氣液分離罐底泵P-205B 聯軸器側止推軸承溫度上升至123 ℃，于是緊急切換至備用泵，并聯系維修單位對P-205B 進行解體檢修。經拆檢發現，該泵聯軸器側止推軸承（型號為7312BDB）外側角接觸軸承保持架嚴重磨損（圖1）。

圖1 止推軸承保持架損壞

維修單位為P-205B更換新的同規格型號止推軸承，并測量該泵葉輪口環間隙、止推軸承間隙以及軸向安裝間隙，均在指標范圍內。檢修完成后開啟P-205B運行，通過72 h 特護監測，該泵聯軸器側止推軸承溫度約71 ℃，振幅約0.02 mm，振動烈度約1.1 mm/s，除聯軸器側止推軸承溫度偏高外，其他運行參數均正常（表1）。

表1 2016 年6 月P-205B 特護監測記錄

2016 年7 月1 日，裝置崗位人員巡檢時再次發現該泵聯軸器側止推軸承溫度上升至112 ℃，于是緊急切換至備用泵。對該泵拆檢后發現，泵聯軸器側止推軸承有潤滑油結焦現象，且軸承外圈軌道存在嚴重磨損痕跡（圖2～圖3）。

圖2 止推軸承有潤滑油結焦

圖3 軸承外圈軌道磨損

2 軸承溫度偏高的原因分析

故障發生后，車間組織設備技術人員、維修人員，分別從工藝操作、制造、潤滑、裝配、對中以及軸向力等各方面，對P-205B 聯軸器側止推軸承運行溫度偏高的原因進行分析，最終判斷原因是軸承承受軸向力過大。

2.1 工藝操作不平穩

（1）原因：①工藝操作不平穩，泵抽空引起的強烈振動造成軸承軸向竄動，引起軸承滾珠與軸承外圈磨損，造成軸承發熱；②泵超負荷運行，止推軸承無法承受過量的軸向力，引起軸承滾珠與軸承外圈磨損，造成軸承發熱。

（2）分析。調取當班班組的操作記錄，確認故障發生當天P-205B 并無調整操作，泵出口流量、壓力以及電機電流均在指標范圍以內，因此排除工藝操作不平穩因素。

2.2 軸承制造質量差

（1）原因。軸承制造質量差，存在裂紋、銹蝕、脫皮、凹坑、過熱變色、游隙超標等缺陷，都會造成軸承運行發熱。

（2）分析。該泵故障軸承型號為SKF 7312BDB，維修人員在更換新軸承前均進行過認真檢查與測量，確認新軸承無咬壞和磨損，軸承內外圈、滾動體、保持架表面光潔，無裂紋、銹蝕、脫皮、凹坑、過熱變色等缺陷，測量軸承游隙均在指標范圍之內，因此排除因軸承制造質量因素。

2.3 軸承潤滑不良

（1）原因。軸承箱潤滑油量不足、潤滑油乳化變質、機雜較多等會引起軸承潤滑效果不好，造成軸承發熱。

（2）分析。目前裝置機泵使用的是油霧潤滑新技術，技術人員對油霧潤滑主機油箱內潤滑油進行取樣分析，潤滑油黏度、閃點、酸值、水分、機雜各項指標均在正常范圍內；維修人員對該泵配霧器油霧進行檢查，油霧霧壓大，油霧量充足，因此排除軸承潤滑不良的原因。

2.4 軸承裝配不良

（1）原因：①裝配時軸承內徑與軸或外徑與外殼配合過松，配合面會產生相對滑動、損傷軸或外殼，磨損粉末進入軸承內部后也會引起滾珠與軸承外圈磨損，造成軸承發熱；②軸承間隙過小時，油脂在間隙內剪切摩擦損失過大、會引起軸承發熱，同時油量減小不能及時帶走摩擦熱量，會進一步加劇軸承溫升。

（2）分析。維修人員在安裝軸承時對軸承裝配間隙以及軸承間隙多次進行測量，均在誤差允許范圍內，因此排除軸承裝配不良的原因。

2.5 對中不良或軸彎曲

（1）原因。電機和泵聯軸器對中不良或泵軸彎曲，引起設備較大的振動和異常負載，造成軸承發熱。

（2）分析。維修人員對泵軸做靜平衡試驗，多點測量泵軸的跳動值均滿足使用要求，使用激光對中儀對電機和泵聯軸器對中進行測量，聯軸器外圓和端面測量也滿足指標要求，因此排除對中不良或泵軸彎曲的原因。

2.6 軸向力過大

（1）原因。軸承承受軸向力過大，超出止推軸承負載能力，引起軸承磨損，造成軸承發熱。

（2）分析。根據上述分析結果以及P-205B 拆檢情況，發現聯軸器側止推軸承有潤滑油結焦現象，軸承外圈軌道存在磨損（圖2～圖3），綜合判斷泵止推軸承溫度偏高的原因是，軸承承受軸向力過大，引起軸承滾珠與軸承外圈軌道摩擦生熱，產生的高溫使軸承處潤滑油結焦，導致潤滑劣化，加速軸承滾珠與軸承外圈軌道的摩擦，產生更高的溫度。

3 解決方法

3.1 離心泵軸向受力分析

離心泵的軸向推力是指作用在泵轉子上、所有軸向力F 的合力，通常包括葉輪蓋板前后軸向力形成的合力、流體沖力、軸密封前后靜壓力形成的合力以及其他軸向力，可以通過以下4種途徑進行平衡[1]。

3.1.1 機械方法

即采用止推軸承來完全承受軸向力。止推軸承雖然能夠可靠的承受軸向力，但由于軸向力通常比較大，單獨用止推軸承來完全承受軸向力會使泵的結構變的比較復雜。

3.1.2 結構方法

即采用背靠背葉輪或雙吸葉輪的方法來平衡軸向力。由于設備制造誤差或兩側密封環磨損量不同，這種方法并不能完全平衡軸向力，存在一定的殘余軸向力，而殘余軸向力需用止推軸承來承受。

3.1.3 采用平衡或降低單個葉輪上軸向力的方法來平衡軸向力

（1）節流效應：通過葉輪后蓋板設置密封環配合平衡孔。平衡孔總面積越大，葉輪后蓋板外腔室與葉輪吸入口之間的壓差越小，軸向力越小。此方法能夠減小葉輪后蓋板外腔室與葉輪吸入口之間的壓差，從而減小軸向力，但是會降低泵的效率，適用于小型單級離心泵。

（2）流體動力效應：通過葉輪后蓋板加裝背葉片。在葉輪后蓋板上加裝幾個徑向背葉片，當葉輪旋轉時，由于背葉片的作用葉輪后蓋板外腔室壓力下降，從而減小軸向力。但是此方法也會降低泵的效率，適用于小型單級離心泵。

3.1.4 采用平衡裝置消除旋轉部件的軸向力

（1）設置平衡盤。平衡盤多用于臥式多級泵，裝在末級葉輪之后，它是通過末級葉輪后泵腔高壓液體經徑向間隙與軸向間隙泄漏使平衡盤前后產生壓差來平衡軸向力的。平衡盤能夠自動平衡軸向力，但是如果沒有泄漏就不能完全平衡軸向力，且過大的軸向力會使平衡盤摩擦，造成轉子振動從而失去穩定性。

（2）設置平衡鼓。平衡鼓平衡軸向力的大小由其直徑決定，因而是固定的，在工況發生變化時會產生殘余軸向力，需要用止推軸承來平衡。

故障泵P-205B 為臥式單級軸向吸入徑向剖分蝸殼式流程泵，根據其實際情況宜采用平衡或降低單個葉輪上軸向力中節流效應的方法，以最大限度降低檢維修成本。經過維修人員的充分討論和借鑒以往的檢修經驗，決定采用葉輪平衡孔擴孔的方式來降低軸承受力，解決軸承運行溫度偏高的問題。

3.2 平衡孔擴孔理論依據

對于既定的離心泵，其葉輪后密封環直徑及徑向間隙、平衡孔大小及數量對平衡腔液體壓力及軸向力有著直接的影響。一般情況下，平衡孔總面積越大、葉輪后蓋板外腔室與葉輪吸入口之間的壓差越小，從而軸向力越小。但是隨著平衡孔孔徑的增大，平衡孔的泄漏量和泵的容積損失也會增大，進而導致泵效率下降。為了準確描述4 平衡孔直徑對平衡腔液體壓力的影響規律，通常引入平衡腔結構的無因次特征參數，即葉輪的平衡孔總面積與后密封環徑向間隙斷面面積的比值，從控制平衡腔液體壓力及軸向力角度考慮，比面積存在最佳值[2]。

d——平衡孔直徑，mm

D1——泵蓋后口環內徑，mm

D2——葉輪后口環外徑，mm

z——平衡孔數量

3.3 現場實施

維修人員測量P-205B 泵蓋后口環內徑D1、葉輪后口環外徑D2以及平衡孔直徑d，得出：D1=165.48 mm，D2=164.8 mm，d=8 mm，z=3。

最終，維修人員根據上述計算結果取d1=16 mm，將該故障泵平衡孔直徑由8 mm 擴孔至16 mm。檢修完成后開啟P-205B運行，崗位人員通過72 h 特護監測（表2），該泵聯軸器側止推軸承溫度為45 ℃左右，振幅約0.03 mm，振動烈度約1.2 mm/s，運行狀態良好。

表2 2016 年7 月P-205B 特護監測記錄

4 結束語

通過對氣液分離罐底泵P-205B 止推軸承溫度高的原因認真分析，找出故障原因為軸承承受軸向力過大。根據相關試驗研究經驗和計算，合理調整該泵葉輪平衡孔比面積值，采取對泵葉輪平衡孔擴孔的方式，降低軸承所受軸向力，徹底解決了聯軸器端止推軸承溫度偏高的問題，延長了機泵的運轉周期，保證裝置的平穩生產和長周期運行，也為維修單位機泵維修提供參考。