可靠性领导者将每一次维修都视为改进的机会。毕竟，欧洲和北美的大多数加工厂都有20多年的历史。如果认为20世纪70年代提供的原始设备能够满足日益增长的可靠性、效率、环保和安全要求，这是没有道理的。

维修时可以进行的一个简单升级是安装间隙更小的非金属耐磨环。使用现代复合材料，耐磨环间隙可以减小到 API 610标准推荐的最低标准的50%。这一变化可提高泵的可靠性、效率和安全性。

本系列的第一部分将讨论可靠性优势。第二部分将讨论效率的提高，第三部分将讨论安全性问题。这种升级并不是什么新鲜事，但在过去几年里，安装非金属耐磨环已成为许多流程设备的标准升级。经过近三十年的现场应用经验，非金属耐磨环已成为行业标准的一部分。API 610第11版（ISO13709: 2009）《石油、石化和天然气工业用离心泵》认可使用间隙减小的非金属耐磨环。

减小离心泵的耐磨环间隙是一个显著的可靠性升级，因为它可以增加泵转子的阻尼和刚度。在实际工程应用中，减小耐磨环间隙可减少泵的振动和轴偏转（挠度）。

轴挠度与可靠性之间的关系众所周知。遗憾的是，事实并非总是如此。20世纪60年代、70年代和80 年代的泵设计并没有预见到当前的可靠性和机械密封性能标准。这些老式泵的主要问题是轴通常太长、太细和太柔软。这导致轴变形过大，机械密封寿命不足。

API 610委员会的成员认识到了老式设计的缺陷，并且从API 610第7版开始实施了设计要求，以最大限度地减少轴挠度。对于新的单级和双级泵，API 610第11版建议：“为了获得令人满意的密封性能，轴的刚度应使主密封面处的总挠度限制在 0.05 mm（0.002"）以下”。

对于老式泵，主要的泵制造商都会出售升级包，用于更换泵的轴承箱、密封腔和轴。这些产品的营销材料不可避免地将提高轴刚度和延长机械密封寿命吹捧为其优势。

当然，新泵和改造都是解决轴偏转过大问题的绝佳方案。遗憾的是，大多数流程工厂都有数百台老旧泵，这些泵可以从升级中受益，而这些选择通常只对一小部分泵具有经济可行性。

好消息是，轴刚度来自两个因素 - 转子设计和耐磨环。老旧工厂可以利用耐磨环的力量来提高数百台泵的轴刚度。

耐磨环产生的稳定性通常被称为Lomakin效应，它是由环上的压差驱动的。耐磨环是出口压力（Pd）和吸入压力（Ps）之间的屏障。通过该界面的压差产生了如图1a和1b所示的轴向流速。

Lomakin效应有时会让人感到困惑，因为它包含了耐磨环上发生的两种不同现象：阻尼和刚度。阻尼并不能直接防止轴偏转，但可以最大限度地减少转子对激振力的响应 - 这与减震器使汽车行驶平稳的原理非常相似。减小的间隙增加了阻尼，使转子更加稳定。

间隙的减小也增加了轴的刚度。额外的刚度来自转子偏心时产生的正向校正力。其工作原理类似于飞机机翼（见图 2），相对速度的差异会因压差而产生力。

离心泵发生轴偏转时，也会出现类似的情况。泵转子承受着多种载荷，如转子重量、水力和不平衡等。结果是轴发生偏转，转子偏离中心（图3a和3b）。当发生这种情况时，穿过耐磨环的轴向流动会发生变化，间隙较大的一侧流量和流速较高，而间隙较小的一侧流量和流速较低。这些力产生的刚度称为Lomakin效应。

图 3a：非同心转子视图（上图）。在间隙较大的区域，轴向流量较高；在间隙较小的区域，轴向流量较低。

图 3b：非同心转子侧视图（下图）。速度的相对差异会对转子产生净校正力，即Lomakin效应。

在过去三十年中，许多案例研究都记录了耐磨环间隙减小对可靠性的影响。最近的一项研究调查了安装在北美一家炼油厂的61台泵的维修数据、振动数据和密封泄漏数据。这些数据是在安装了减少间隙的复合耐磨环之前的数年内以及改装后的相同时间内收集的。结果如表1所示。

表1：炼油厂61台泵的研究结果

改用间隙更小的复合耐磨环后，泵的可靠性明显提高，运行时振动更小，密封泄漏更少。其它一些个案研究也显示了类似的结果。对老式泵的研究表明，整体振动水平降低了90 %（Komin，1985年）。其它研究表明，在碳氢化合物、锅炉给水和冷凝水服务中，使用寿命得到延长和/或振动降低。

这种升级对老式设计特别有用。1997年的一篇论文重点介绍了几台两级悬臂泵的升级。这些升级的结果表明，性能提高了，振动降低了，平均维修间隔时间延长了。尽管两级悬臂式设计现在已被认为过时，但许多此类泵仍在继续运行，因为更换轴承间设计的成本过高。

使用复合耐磨环进行升级可能是提高现有泵可靠性的最具成本效益的方法。升级可作为标准维修的一部分进行，通常不需要额外的机械修改，也不会增加大量的维修时间或复杂性。

复合耐磨环的升级成本主要是用先进的复合材料替代传统材料（如400系列不锈钢、铸铁或青铜）所增加的费用。根据泵的类型和大小，成本差异很大。例如，单级小型泵的复合材料附加成本应低于1,000 美元。而对于大型多级泵，复合材料的升级成本可能超过15,000美元。

考虑到这种巨大的差异，经验表明，复合耐磨环升级的平均成本在3,000美元左右。按此价格计算，大型加工设施（如炼油厂或石化厂）每年可升级50台泵，费用约为150,000美元。几年后，该工厂将升级数百台泵，并具有更可靠的泵送能力。

与其它可增加轴刚度的升级选项、新泵或主要机械改造（通常由原始设备制造商或有资质的独立泵厂提供）的价格相比，这些其它选择可以大幅提高泵的可靠性，在某些情况下，它们是绝对必要的。遗憾的是，它们的成本远远高于使用复合耐磨环的升级，从而限制了有理由进行这些升级的服务数量。

将离心泵升级为间隙减小的复合耐磨环是一项重大的可靠性升级，可在维修泵时进行。间隙减小可提高轴的刚度，从而解决许多泵，尤其是老式设计泵的主要问题之一。案例研究表明，这种升级减少了维修次数、降低了振动并减少了机械密封泄漏。

与其它提高转子刚度的升级方法相比，复合耐磨环为大量泵提供了一种提高可靠性的经济有效的方法。此外，这种投资的回报不仅体现在可靠性上，还体现在能耗的降低上。这种升级带来的效率优势将是第二部分的主题。

1）American Petroleum Institute. API Standard 610 11th Edition, (ISO13709). Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical, and Natural Gas Industries. September 2010

2）Aronen, R., Boulden, B., and Russek, M., 2007, “Driving Pump Reliability Forward with Advanced Composite Wear Rings," Proceedings of the 23rd International Pump Users Symposium, Turbomachinery Laboratory, Texas A&M University, College Station, Texas, p. 15-19.

3）Aronen, R., Plaizier, D., and Sinclair, D., 2007, “Building a Better Boiler Feed Pump,” Pumps and Syste