多级离心泵故障分析及处理措施

泵友圈 2022-11-29 08:29 发表于北京

作者：李彦成，孙卓庆，党启柏，尹小菊，兖州煤业榆林能化有限公司

来源：《化工设备与管道》

摘要：导致大型机泵产生振动的因素有很多，而振动是评价大型机泵能否安全可靠性运行的重要指标。本文针对某型号的大型多级离心泵在运行期间出现振动超标、机械密封泄漏等问题进行分析，并结合现场实际工况，找出导致泵振动的原因有现场操作不当和泵进口过滤器设计选型不当，介质内部分漂珠以及硬质颗粒导致泵转子内部摩擦副部件过度磨损，最终导致泵转子振动和机械密封泄漏。通过对泵入口过滤器进行重新选型和改造，对机械密封进行重新设计，对泵转子摩擦副材质进行重新选材和更换，对泵转子支撑摩擦副进行技改和对水质系统的改善，有效地解决了泵的振动故障问题，保障了化工系统的连续稳定运行。

关键词：机泵；振动；措施

1. 多级离心泵故障情况介绍

高温热水泵为卧式双支撑水平剖分多级离心泵(型号：SCSK300-85×9)，功率900kW，扬程880m，入口压力0.9MPa，出口压力8.5MPa，介质为170°C固含量为0.5%~1%的灰水，泵叶轮采用背靠背自平衡流体方式布置。

6台高温热水泵在投运初期状况良好，但运行3个月后泵相继出现转子振动值逐步上涨、两端机械密封频繁泄漏、止推轴承温度上涨等问题。根据现场检修统计，3个月内6台泵转子振动值从最初的2.0mm/s以下逐步上涨至超过21mm/s，非驱动侧止推轴承温度从最初的40°C逐步上涨至90°C，在后续1个月期间两侧机械密封相继出现8次泄漏故障。

2. 泵故障原因分析

2.1 泵入口过滤器设计缺陷

为了有效隔离管道系统中的颗粒，泵入口设计了T型过滤器(型号：SRT-1-350/2.0)，滤网为30目不锈钢丝网。泵的转子摩擦副口环间隙为0.42~0.5mm，同时泵的安装手册要求泵的入口过滤器有效过滤面积为入口管道的2.5~3倍[1]。为了防止颗粒物进入系统磨损转子摩擦副，要求滤网过滤颗粒直径不大于摩擦副间隙即0.42mm，根据SH/T3411—2017《石油化工泵用过滤器选用、验收规范》[2]内不锈钢丝网参数表(见表1)数查阅，对应的丝网目数应该为40，但设计时为了避免滤网频繁堵塞导致泵抽空，选择了30目滤网。

由表1查得DN350正折流T型过滤器有效面积30目滤网对应有效过滤面积为0.3253m2。而DN350管道的总截面过流面积为：S=πR2=3.14×(0.35/2)2=0.0962m2，则过滤器有效过滤面积与入口管道过流截面积比值为：i=0.3253/0.0962=3.36。

2.2 泵摩擦副选材硬度不足

为满足耐腐蚀性能和便于机械加工制造，该泵的泵体密封环和叶轮密封环采用3Cr13配合1Cr13MoS的摩擦副材料。从材料分类二者属于马氏体不锈钢，该钢机械加工性能好，经热处理(表面淬火)后，具有优良的耐腐蚀性能。

泵在运行期间，灰水介质内高速流动的漂珠硬质颗粒导致泵转子摩擦副快速磨损，转子口环摩擦副实际运行工况严重偏离了设计指标[3]。3Cr13配合1Cr13MoS的摩擦副材料不耐磨的缺陷充分暴露，导致转子摩擦副迅速磨损，间隙增大。而在转子中部的节流衬套由于处于压差最大的位置，摩擦副内部颗粒流速最高，所以磨损更为明显，在失去中间节流衬套的支撑固定后，转子出现大幅度振动。

2.3 泵机械密封设计存在缺陷

该泵密封冷却系统采用了API682标准中Plan32的冲洗方案，采用外供1.5MPa冷却水冲洗方式对机械密封进行冲洗、冷却和润滑。

泵选配国内某厂家单端面机械密封，冲洗液进入密封腔的方式采用单孔径向冲洗的方式。根据速度公式：v=ω×r，泵机械密封边缘线速度为171m/s，在高线速度下部分密封冲洗液由于离心力作用，密封液无法充分进入密封端面进行冷却和冲洗，同时由于密封冷却水从一点处对摩擦副进行冲洗，导致摩擦副离冲洗水孔进入处的远端无法得到充分的冷却和润滑，摩擦副密封环由于高温而碎裂。

由于泵在运行初期入口滤网拆卸，介质内的颗粒导致泵转子各级摩擦磨损严重，泵轴端节流衬套节流效果不佳，导致平衡管来不及泄压平衡，机械密封腔内失去平衡，密封腔内压力随着轴端节流衬套的磨损压力逐步升高，最终导致1.5MPa的密封水无法顺利进入。机械密封腔内介质反窜污染密封腔，机械密封摩擦副得不到良好的润滑，长期在带硬颗粒的介质内运行后端面磨损严重，最终频繁出现泄漏情况[4]。

2.4 灰水水质问题

由于系统运行期间气化煤种的参配，导致灰水系统出现大量漂珠。漂珠的主要化学成分是二氧化硅、三氧化二铝和二氧化二铁，其次是氧化钙、氧化镁等，漂珠硬度大，刚性强，当泵入口过滤器拆卸后，大量漂珠进入对泵的口环以及摩擦副过流部件磨损极大，最终导致泵摩擦副失去对转子的支撑作用而振动加大。

总结以上问题，首先是气化系统更换煤种，导致灰水系统中产生大量硬质颗粒的漂珠，随后高温热水泵入口滤网由于设计过流面积太小，在实际运行中由于垢片堵塞而拆卸。泵入口滤网拆卸后介质内大量硬质漂珠颗粒进入泵体内，导致泵密封环及节流衬套等摩擦副间隙磨损迅速增大。摩擦副间隙增大后，泵轴失去有效的中间支撑而发生弯曲，泵轴弯曲后更加加剧密封环、轴套的磨损，使泵体振动加大，轴向推力也增大，止推轴承超温。同时轴端节流衬套磨损后节流效果不好，机械密封腔失去平衡而压力升高，导致密封冲洗水无法进入，机械密封摩擦副工况恶化频繁损坏。以上各个环节环环相扣，最终导致高温热水泵存在诸多故障而无法运行。

3. 故障解决办法及改进措施

3.1 重新设计入口过滤器

泵原设计的入口正折流式过滤器无法满足实际运行要求，主要原因是运行初期介质实际运行工况恶劣，过滤器有效过滤面积与入口管道通流面积比值冗余量太小(实际计算比值为3.36)，无法满足实际工况的需求。

通过技改，将过滤器滤芯的长度延长至原长度的两倍(原长800mm)，过滤器经延长后过滤的有效过滤面积增加一倍(见图1)。技改后过滤器的有效过滤面积达到0.6506m2(原过滤面积为0.3253m2)，实际有效过滤面积和管道的通流面积比值为：i=0.0.6506/0.0962=6.72。是原过滤器的通流比值的2倍。

3.2 改进转子摩擦副材质

针对原转子摩擦副材质不耐磨问题，我厂联系泵制造厂家进行技改，技改的目的是提高摩擦副的表面硬度，提高摩擦副在极端工况下的耐磨性能。经与厂家核算后，将原3Cr13配合1Cr13MoS的摩擦副材料替换为0Cr17Ni12Mo2表面堆焊司太立合金(Co50%、Cr30%、W10%)的摩擦副。同3Cr13和1Cr13MoS材质相比，司太立合金合金内部的铬、钴、钨元素都有极高的硬度[5]，可以极大地提高口环的耐磨性以及高温工况下的硬度，同时又有更好的抗氧化、抗磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能，主要机械性能对比见表2。

单纯的司太立合金难于机加工而且由于硬度高易脆裂。采用0Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢作为摩擦副基体，表面堆焊司太立合金，既保证了摩擦副的综合机械性能，又保证了摩擦副的高硬度耐磨损性能。

3.3 改进机械密封冲洗液分布方式

针对原有机械密封存在的问题，我厂联系密封厂家进行针对性的技改。在原机械密封基础上增加布水环，将原密封系统的单孔冲洗方式改为多孔环向冲洗方式。密封冲洗水进入密封腔后进行二次优化分布，冲洗水围绕摩擦副端面设置环状14个冲洗小孔进行冲洗，保证密封摩擦副以最佳的冷却方式对摩擦副端面进行冲洗及降温，防止摩擦副由于高速运转密封水无法及时进入密封端面进行冷却和冲洗。

同时为了防止密封腔内压力波动时介质反向进入密封腔污染摩擦副端面，在机械密封轴套后部增加泵送环，泵送环与泵腔体内壁保持微小间隙，起到节流和对灰水介质的反向泵送加压作用，形成第二道隔离屏障，有效防止系统介质的反向进入而污染密封摩擦副。

3.4 转子的核心支撑摩擦副进行技改

在高温热水泵运行期间，由于转子摩擦副磨损间隙增大，失去对转子的径向限制后转子振动加大。在所有的摩擦副中对转子径向限制起关键作用的是驱动侧和中间节流衬套摩擦副，尤其是中间节流衬套摩擦副，因为转子中间位置是跳动和振动振幅最大位置。针对该情况，在驱动侧和中间节流衬套摩擦副处增加干净的密封冲洗水进行冲洗，要求改密封水为干净密封水，同时要求其压力比对应工作压力点适当高，工作时密封水正向流向压力低侧进入介质系统(技改方案见图2)。

摩擦副技改后，一方面高压的冲洗水可形成强制正向冲洗通道，阻止漂珠颗粒进入摩擦副内对摩擦副造成磨损，另一方面同系统灰水相比较，洁净的密封冲洗水可起到更好的冷却和润滑作用。为确保冲洗密封水起到最好的冷却润滑作用，在该两处节流衬套摩擦副外部也设置布水环，对应节流套本体增加6个φ8mm冲洗孔布水进入冲洗。经计算，中间节流衬套摩擦副位置处密封水要求流量为6.71m3/h，压力为8.8MPa；驱动侧节流衬套摩擦副位置处密封水流量为6.74m3/h，压力为5.6MPa。

3.5 增加灰水漂珠收集系统

针对灰水系统内产生的大量漂珠，我厂及时采取措施，分别在灰水沉降槽顶部增设漂珠拦阻系统(简要流程见图3)。该道拦截为主要拦截，运行期间漂珠漂浮在槽内溢流堰液面挡圈内部，通过搅拌器搅拌旋转后从漂珠收集管流出，在低压灰水泵进出口增设大口径大过流面积的过滤器来拦阻漂珠，多道拦截防止大量漂珠进入灰水系统而磨损该泵的口环等过流部件。实践证明该漂珠拦阻系统效果明显，有效拦阻了灰水系统内的绝大部分漂珠，剩余的部分漂珠被该泵改进后的过滤器再次拦阻，从而高效地保证了该泵的介质洁净程度，避免了该泵过流部件的磨损损坏[6-7]。

4. 结束语

导致多级离心泵振动等的因素很多，包括工艺条件和系统配置是否与泵及密封系统的设计相适。买方与泵供货方对操作条件的充分沟通，在工艺和系统设计上采取必要的措施来满足和改善泵的操作条件，在实际操作中应加强对泵操作条件的检查，防止严重偏离预期工况运行，使泵组工况恶化，导致各种故障的发生。

本文通过分析灰水多级离心泵故障原因，从工艺系统上着手改善泵操作工况，从泵本体及密封的选材、结构等着手改造泵组，采取针对性的措施，多措并举，改造后取得了很好的效果。

参考文献

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