軸流污水泵失效分析及改造對策
2020-07-19 李云先
（中石化股份有限公司齊魯分公司供排水廠）
某給排水廠裝置在投運(yùn)中因發(fā)生嚴(yán)重軸系振動故障而停車維護(hù)。通過對軸封失效原因的分析，并對軸流污水泵進(jìn)行泵體解體檢查，發(fā)現(xiàn)了主要原因?yàn)檩S承損壞，導(dǎo)致軸封失效和軸流污水泵故障。從密封原理和密封材料方面著手，對密封室進(jìn)行了局部改造，解決了污水泵故障問題，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定長周期運(yùn)行。 某公司供排水廠乙烯污水處理采用兩臺350WLC-600型立式軸流污水泵（Q=6000m3/h、H=7m、N=21kW、n=970r/min）(以下簡稱污水泵)，將池中的工業(yè)污水進(jìn)行提升后，輸送到污水處理裝置。水泵24小時連續(xù)工作，所輸送的介質(zhì)為工業(yè)混合廢水，含有一定量泥沙和雜質(zhì)，pH值在5-9之間。該立式軸流泵具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 污水泵安裝在吸水池頂?shù)闹闻_板上，泵體總高度4.8m，正常工作時泵體浸沒深度約為2.5-3m。污水由過濾精度為5mm的機(jī)械格柵除去雜物后進(jìn)入軸流泵吸入口。主軸帶動葉輪順時針旋轉(zhuǎn)對污水做功，污水被加壓后經(jīng)外筒體和內(nèi)護(hù)管之間的空間到達(dá)泵出口。 軸承室內(nèi)裝有2只7310BDB向心推力角接觸球軸承和1只6310深溝球軸承，其余3個徑向支撐采用整體式錫青銅滑動軸承，用內(nèi)護(hù)管將其污水隔開。整個軸系靠軸承室的2只角接觸球軸承軸向定位并承擔(dān)不平衡軸向力，其余軸承只承受徑向負(fù)荷。內(nèi)護(hù)管有4節(jié)，下護(hù)管的下端與軸承室采用螺紋連接，螺紋管下端與軸承外圈壓緊，以保證軸向定位。 軸承采用脂潤滑，軸承壓蓋裝有1只旋轉(zhuǎn)式唇形油封，防止外部灰塵、水分等進(jìn)入潤滑系統(tǒng);軸承下部也裝有1只旋轉(zhuǎn)式唇形油封，用來防止?jié)櫥牧魇А?nèi)護(hù)管內(nèi)充滿潤滑油，注油管上有油位指示，觀察潤滑油是否流失或被污染。在泵體下部的填料函內(nèi)裝有7件串聯(lián)布置的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封，防止?jié)櫥屯饴┘拔鬯Z入內(nèi)護(hù)管。 1.存在問題 污水泵自投用以來，因故障頻發(fā)導(dǎo)致多次非計(jì)劃停車，先是發(fā)現(xiàn)儲油管進(jìn)水，運(yùn)行15-30天就會發(fā)生嚴(yán)重軸系振動，并伴隨著很大的噪音。拆機(jī)時發(fā)現(xiàn)，軸承室的潤滑油中含有部分污水和泥沙，滾珠和軸瓦損壞嚴(yán)重。7組唇形密封均出現(xiàn)不同程度的變形，與其配合的相應(yīng)軸頸部分也出現(xiàn)輕微磨損痕跡。雖經(jīng)多次維護(hù)并更換零件，均未能解決問題，被迫進(jìn)行改造。 2.原因分析 從污水泵軸封結(jié)構(gòu)來看，軸封是由串聯(lián)的7件帶副唇的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封和橡膠O形環(huán)兩部分組成[1]。旋轉(zhuǎn)軸唇形密封起到主要的軸向密封作用，防止污水通過軸向間隙進(jìn)入軸承室；O形環(huán)起到輔助的徑向和軸向密封作用，阻礙主軸與填料之間的介質(zhì)流通。根據(jù)檢修發(fā)現(xiàn)的問題來分析，軸封失效和軸承損壞是引起污水泵發(fā)生故障的主要原因[2]。 通常引起本類軸封失效的原因大致如下：1）軸徑向跳動，造成唇口追隨不良[3]；2）唇口冷卻潤滑不良，接觸面因摩擦導(dǎo)致密封元件溫度過高，而使橡膠材料變軟，彈性下降，喪失密封性能[4]；3）填料套與唇口過度磨損；4）所處理的介質(zhì)壓力過高，使唇形密封出現(xiàn)過大的柔性變形；5）介質(zhì)存在固體顆粒造成唇口過快磨損，導(dǎo)致密封失效[5]。 檢修時對各相關(guān)部件檢測結(jié)果表明:主軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不存在偏心運(yùn)轉(zhuǎn);唇口潤滑良好，未出現(xiàn)過熱，這些因素尚不至于影響污水泵的正常運(yùn)行。各組唇形密封環(huán)唇口出現(xiàn)不同程度的磨損且密封環(huán)很容易產(chǎn)生變形，由此可以斷定：軸封失效是導(dǎo)致軸承損壞和污水泵故障的關(guān)鍵。 原軸封結(jié)構(gòu)僅采用橡膠唇形密封環(huán)作為主要軸向密封設(shè)施，隔斷污水進(jìn)入軸承室[6]。橡膠環(huán)本身存在著柔性高、剛度低，承壓能力低的特點(diǎn)，在壓力作用下易出現(xiàn)過大的柔性變形[2]，致使密封失效[7-8]。故障形成的過程中應(yīng)該是這樣：較高壓力的污水夾雜著泥沙直接到達(dá)唇形密封的端面，密封唇口的壓力過大，使接觸介質(zhì)的個唇形橡膠環(huán)出現(xiàn)變形，隨著壓力的持續(xù)導(dǎo)致過大的柔性變形，致使組密封環(huán)失效[9]；介質(zhì)流過密封環(huán)進(jìn)入到第二組與組密封環(huán)的環(huán)腔，壓力介質(zhì)又作用到第二組密封環(huán)的端面，第二組密封環(huán)也因承受不了壓力介質(zhì)的作用而出現(xiàn)與組同樣過大的柔性失穩(wěn)。 隨著運(yùn)行時間的延續(xù)，這種趨勢不斷增大，致使密封逐級失效，最后導(dǎo)致整個軸封全部失效[10]，使得大量的污水夾帶泥沙等顆粒進(jìn)入密封唇口的接觸面，加劇了接觸面的磨損。因軸封失效，污水夾帶泥沙穿過密封進(jìn)入內(nèi)護(hù)管內(nèi)而與潤滑油混合，混有污水的潤滑油進(jìn)入到軸承室，惡化了軸承的工作狀態(tài)。軸承在含有污水和泥沙潤滑油情況下高速旋轉(zhuǎn)，很快損壞。 3.改造對策 從以上分析可知，350WLC型立式污水泵的失效，是因軸封失效而引起，解決問題的關(guān)鍵是采用適合的軸封結(jié)構(gòu)，阻止污水進(jìn)入軸承室，保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證污水泵的安穩(wěn)運(yùn)行[11]。 單從解決350WLC型立式污水泵的軸封泄漏看，改為機(jī)械密封可以達(dá)到要求。但考慮到密封浸在污水中，而污水中含有大量泥沙等雜質(zhì)，很難對機(jī)械密封進(jìn)行沖洗，易造成損壞，而且機(jī)械密封費(fèi)用較高。原填料函結(jié)構(gòu)尺寸較小，改造難度大，也難以實(shí)現(xiàn)。 通過分析，從本污水泵的實(shí)際情況出發(fā)，本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的原則決定對密封室進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改造，解決泄漏問題。 3.1改造方案 改造唇形密封結(jié)構(gòu)，縮短填料套尺寸，騰出空間下設(shè)動力密封結(jié)構(gòu)。將原設(shè)置于填料套上端用于軸向密封的O形橡膠環(huán)移至填料套下端。改造前、后的密封室結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。由改造前的一段7只唇形密封改造成為動力密封加3只唇形密封的組合式兩段密封。 3.2改造后的密封機(jī)理 改造后的動力密封環(huán)開有三道環(huán)形迷宮槽，下端開有V型槽。在離心力作用下，旋轉(zhuǎn)的污水在密封環(huán)下部和填料函內(nèi)壁的環(huán)形區(qū)域形成高壓區(qū)，部分地阻止了污水流向密封腔，并將污水中的泥沙等顆粒物有效地甩出密封腔。加壓污水流經(jīng)動力密封環(huán)與填料函的間隙，起始是以較高的靜壓能進(jìn)入，在間隙中轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芎筮M(jìn)行流動，到達(dá)環(huán)形迷宮槽的空間時再次轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，在流動和能量的轉(zhuǎn)變過程中消耗了部分能量，使再次轉(zhuǎn)變的靜壓能小于起始值。多次流動和轉(zhuǎn)變后，能量降低到一定值，介質(zhì)失去了外泄的能量達(dá)到密封。歡迎關(guān)注泵友圈微信公眾號。上部的3只唇形密封環(huán)也起到了輔助密封作用，這樣就從根本上改變了密封狀態(tài)[12]。O型橡膠密封環(huán)能阻斷介質(zhì)從動力密封環(huán)到主軸間隙的泄漏，將其設(shè)置在填料套下端也避免了雜質(zhì)在間隙中集結(jié)，保證了正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.3密封件材料選擇 改造后上端唇形密封結(jié)構(gòu)件的材料不變，僅對填料套外表面鍍硬質(zhì)鋸以提高其耐磨性。動力密封環(huán)采用18-8不銹鋼，在下部填料函內(nèi)部襯4mm的PVC襯套，用螺釘固定在填料函上。動力密封環(huán)與PVC襯套的間隙控制在0.1-0.15mm之間。高速旋轉(zhuǎn)的動力密封環(huán)帶動流體沖刷襯套內(nèi)壁，帶走了摩擦所產(chǎn)生的熱，保證了PVC襯套的使用性能。 4.改造前、后運(yùn)轉(zhuǎn)狀況對比 原污水泵在投用后大約24小時，從儲油管的示油器發(fā)現(xiàn)油位出現(xiàn)波動，表明有污水進(jìn)入儲油管，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時間的增長，這種現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。運(yùn)行10天左右，開始出現(xiàn)不規(guī)則的噪音和震動，且逐漸加大。一般在工作三周后，噪音和震動明顯加大，難以維持正常運(yùn)行。雖經(jīng)多次維修并更換軸承和唇形橡膠環(huán)，但一直沒能解決問題，且岀現(xiàn)故障的間隔時間變得越來越短，被迫進(jìn)行頻繁地停機(jī)檢修和更換零件來維持生產(chǎn)。 按本文的方法進(jìn)行改造后的水泵先經(jīng)兩小時試車，發(fā)現(xiàn)無異常，再連續(xù)試車24小時檢查示油器液位無明顯變化，證明沒發(fā)生內(nèi)外泄漏，隨后投入到裝置正常服役。運(yùn)行至今已達(dá)一年多時間，示油器油位一直正常，也再未出現(xiàn)噪音和震動現(xiàn)象。實(shí)踐證明，這種組合密封適用于本工況，能有力地保證軸封阻礙污水進(jìn)入軸承室，保持軸承良好的潤滑狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)污水泵的安穩(wěn)運(yùn)行。 5.結(jié)束語 從本污水泵出現(xiàn)的事故來看，損壞嚴(yán)重的是軸承，其次是唇形橡膠環(huán)的變形，實(shí)踐證明簡單維護(hù)和更換損壞零件是無法解決問題的，只有找出并針對造成事故主要原因采取可靠的措施，才能消除事故的根源。 本文采用組合軸封結(jié)構(gòu)改變了軸封部分，而原軸承系統(tǒng)保持不變，就從根本上解決了污水泵的故障。抓住了軸封失效是引起污水泵故障這個根本原因而采取了合理的措施，達(dá)到預(yù)期的效果。另外，本次改造是在既定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，受原污水泵結(jié)構(gòu)尺寸的限制，密封環(huán)的環(huán)形槽尺寸、下端V型槽以及與PVC襯套的間隙不能按照理論計(jì)算來確定，有關(guān)尺寸是采用相似結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比而確定的。因此，在情況許可時密封部件的結(jié)構(gòu)尺寸及材料可加以優(yōu)化。 參考文獻(xiàn) [1]蔡仁良，顧伯勤，宋鵬云•過程裝備密封技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006. 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