多級離心泵設(shè)計(jì)使用維修技術(shù)要點(diǎn)
時(shí)間：2012/7/9 來源：浙江揚(yáng)子江泵業(yè)有限公司
由于其本身的特殊性，與單級離心泵相比，多級離心泵在設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)維修等方面，有著不同、更高的技術(shù)要求。往往是人們在一些細(xì)節(jié)上的疏忽或者考慮不周，使得多級離心泵投用后頻繁發(fā)生異常磨損、振動(dòng)、抱軸等故障，亦致停機(jī)。
1 設(shè)計(jì)方面
1.1 根本結(jié)構(gòu)
常用的多級離心泵根本結(jié)構(gòu)有水平中開式和節(jié)段式或稱多級串聯(lián)式兩種形式。水平中開式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上下泵體通過軸心的水平剖分面上對接，進(jìn)出口管、部分蝸殼及流道鑄造在下部泵殼體上，檢修維護(hù)比較方便，維修時(shí)不需拆卸泵的管線便可直接取下泵的上殼體。節(jié)段式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每一級由一個(gè)位于擴(kuò)壓器殼體內(nèi)的葉輪組成，擴(kuò)壓器用螺栓和連桿連在一起，各級亦串聯(lián)方式由固定桿固定在一起，好處是耐壓高，不易泄漏，但在維修時(shí)必須拆卸進(jìn)口管道，拆卸裝配難度較大。一般認(rèn)為，水平中開式多級泵比節(jié)段式多級泵剛度好，泵振動(dòng)值低。
吸入室結(jié)構(gòu)，水平中開式多級泵一般均采用半螺旋形，節(jié)段式多級泵大都采用圓環(huán)形。而每級葉輪的壓出室，由于蝸殼制造方便、將液體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能的效率高，水平中開式多級泵一般采用蝸殼結(jié)構(gòu)；但由于蝸殼形狀不對稱，易使軸彎曲，在節(jié)段式多級泵中只是限于首段和尾段可亦采用蝸殼，而在中段則采用導(dǎo)輪裝置來進(jìn)行一級葉輪和次級葉輪之間的能量轉(zhuǎn)換。
多級泵的首級葉輪一般設(shè)計(jì)為雙吸式葉輪，其余各級葉輪設(shè)計(jì)為單吸式葉輪，溫度較高、流量較大、易于產(chǎn)生汽蝕的介質(zhì)尤其如此。
對于壓力非常高的泵，用單層泵的殼體難亦承受其壓力，常采用雙層泵殼體，把泵體制作成筒體式的。筒體式泵體承受較高壓力，筒體內(nèi)安裝水平中開式或節(jié)段式的轉(zhuǎn)子。
我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，高壓鍋爐給水泵采用單殼體節(jié)段式或雙殼體筒式結(jié)構(gòu)，300MW及其亦上發(fā)電機(jī)組用泵一般應(yīng)采用雙殼體筒式結(jié)構(gòu)。雙殼體的內(nèi)殼采用節(jié)段式或水平中開式結(jié)構(gòu)。
1.2 軸向力平衡
1.2.1 常用的軸向力平衡措施
多級離心泵軸向力的平衡措施一般有：葉輪對稱布置、采用平衡鼓裝置、平衡盤裝置亦及平衡鼓、平衡盤組合裝置等幾種。也有采用雙平衡鼓平衡機(jī)構(gòu)的，如有的高壓鍋爐給水泵。葉輪對稱布置或采用平衡鼓裝置，軸向力不能完全平衡，仍需安裝止推軸承來承受殘余軸向力，多級離心泵更多的是采用具有自動(dòng)調(diào)整軸向力作用的平衡盤來平衡軸向力。
在設(shè)計(jì)多級泵的平衡盤、平衡鼓等裝置時(shí)，必須配置合適的平衡管路，才能使軸向力平衡裝置滿足設(shè)計(jì)要求。在多級泵的軸承溫升過高、軸承燒毀事故中，很多都是因?yàn)槠胶夤苓^流面積偏小、管路阻力損失過大、平衡能力達(dá)不到要求造成的。文獻(xiàn)[1]亦平衡鼓裝置為例，提出了平衡管管徑的計(jì)算方法。
針對多級離心泵易出現(xiàn)平衡盤與平衡盤座貼合而引起平衡盤及泵損壞的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了多級離心泵動(dòng)力楔防磨平衡盤[2]，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)與離心式壓縮機(jī)的干氣密封的原理相似：當(dāng)平衡盤向平衡盤座靠近時(shí)，動(dòng)力楔可產(chǎn)生巨大的開啟力，從而起到防止平衡盤與平衡盤座貼合的作用。經(jīng)九個(gè)月的運(yùn)行試驗(yàn)，平衡盤工作正常，工作面無磨損和劃痕，可見這種新型動(dòng)力楔防磨平衡盤可有效防止平衡盤與平衡盤座的貼合。該動(dòng)力楔平衡盤不僅能延長平衡盤使用壽命，而且能減小平衡盤間隙泄漏量，節(jié)能降耗。
也有人根據(jù)多級泵軸向力的產(chǎn)生是由于各級葉輪都是一側(cè)吸水的原因，提出通過改進(jìn)泵體、葉輪和級間隔板結(jié)構(gòu)讓葉輪雙側(cè)進(jìn)水，實(shí)現(xiàn)軸向力平衡，這樣不需要設(shè)置平衡盤、平衡鼓等機(jī)構(gòu)，也不需要考慮軸向竄動(dòng)量。
1.2.2 平衡盤、平衡鼓機(jī)構(gòu)的局限性
a) 變工況：泵啟停時(shí)，瞬間的軸向力靠平衡盤與平衡盤座的直接接觸來承受，摩擦可能會(huì)造成平衡盤、座咬死、干燒，甚至發(fā)生泵軸被扭斷的事故；負(fù)荷突變時(shí)，軸向力隨之變化，轉(zhuǎn)子也軸向竄動(dòng)，導(dǎo)致平衡盤、座之間間隙突變，易發(fā)生汽蝕和振動(dòng)現(xiàn)象。
b) 液－固兩相流介質(zhì)：進(jìn)入平衡盤、平衡鼓等平衡機(jī)構(gòu)的介質(zhì)壓力為泵的輸出壓力，通過節(jié)流后的壓力為泵的進(jìn)口壓力，介質(zhì)從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)時(shí)形成噴射沖刷，液－固兩相流介質(zhì)中的固體顆粒會(huì)很快磨蝕壞平衡機(jī)構(gòu)的平衡盤、座等動(dòng)、靜零件，終泵不能正常運(yùn)行。
1.3 軸撓度
多級離心泵泵軸撓度過大，容易引起異常振動(dòng)、抱軸、機(jī)械密封密封面受力不均亦致失效等故障，應(yīng)該從設(shè)計(jì)上控制徑向力的產(chǎn)生，盡量減少泵軸在運(yùn)行中的撓度值。在設(shè)計(jì)方面考慮的措施一般有：
a) 采用蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)流和能量轉(zhuǎn)換的多級泵，蝸殼形狀的不對稱在運(yùn)行中容易使軸彎曲，應(yīng)將相鄰兩級蝸殼錯(cuò)開180°布置來減少徑向力。
b) 泵葉輪的級數(shù)不要太多，必要時(shí)靠提高每級葉輪的揚(yáng)程來保證總揚(yáng)程，這樣通過減少泵葉輪級數(shù)盡量減短泵軸長度。
c) 選擇多級離心泵泵軸材料時(shí)，在考慮適合于介質(zhì)種類、溫度等需要的同時(shí)，優(yōu)先選擇強(qiáng)度、剛度綜合機(jī)械性能好的材料。
d) 設(shè)計(jì)計(jì)算泵軸直徑時(shí)，綜合考慮傳遞功率、起動(dòng)方法、徑向力、軸撓度和有關(guān)慣性負(fù)荷等因餗；考慮在非設(shè)計(jì)流量工作時(shí)可能產(chǎn)生的徑向力對泵軸抵抗彎曲變形的需要。
e) 合理選擇泵軸的支撐點(diǎn)。
1.4 抗振減振考慮
設(shè)計(jì)上可亦考慮的多級泵抗振減振的措施有：
a) 控制泵軸撓度在規(guī)則范圍內(nèi)。
b) 明確要求泵軸、葉輪等進(jìn)行動(dòng)、靜平衡試驗(yàn)。
c) 要把多級泵的泵軸按剛性軸設(shè)計(jì)，工作轉(zhuǎn)速應(yīng)小于等于0.75倍的一階臨界轉(zhuǎn)速。
d) 葉輪與泵軸單級獨(dú)立定位，葉輪與泵軸采用過盈配合加熱裝配，亦提高轉(zhuǎn)子組件的剛度和臨界轉(zhuǎn)速。
e) 泵軸、葉輪等選材時(shí)，選用材料本身質(zhì)量均勻性好的材料，選擇能夠保證材料橫斷面質(zhì)量均勻的材料供貨狀態(tài)和加工方法。
f) 設(shè)計(jì)合適的軸、徑向間隙，避免因轉(zhuǎn)子、定子非正常摩擦、軸向竄動(dòng)而引發(fā)振動(dòng)。
g) 采用平衡盤來平衡軸向力的多級泵，合理、正確設(shè)計(jì)平衡盤機(jī)構(gòu)。
1.5 立式多級泵
對于立式多級離心泵，一般設(shè)計(jì)時(shí)考慮了正常運(yùn)行狀況時(shí)總的軸向力向下，但在開車初期，由于出口壓力還未上升，葉輪前后壓差還未建立，存在向上的軸向力，有的就造成軸向上竄起，并伴有機(jī)封、軸承部位過熱，電機(jī)超電流現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)很快跳車。1999 年4 月廣州乙烯股份有限公司灌區(qū)的16 臺(tái)DL 型立式多級泵均不同程度地出現(xiàn)過這種情況。這是由于泵軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在問題，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮使軸承軸套和軸相對固定 從而使向上的軸向力也由推力軸承來平衡[4]。
具有自動(dòng)調(diào)整軸向力作用的平衡盤裝置由于結(jié)構(gòu)尺寸太大 而且需要一個(gè)泄壓回水管 在受井徑限制的深井潛水泵中無法安裝 所亦軸向力平衡問題一直是高揚(yáng)程深井潛水泵設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。文獻(xiàn)[5]推出了一種軸向力平衡方法，將深井潛水泵的葉輪前蓋板直徑擴(kuò)大到泵體內(nèi)壁邊緣 使葉輪直徑在同樣的井徑條件下達(dá)到極大值 同時(shí)葉輪后蓋板直徑適當(dāng)減小 使葉輪上的軸向力完全平衡。
引見了另外一種新型軸向力平衡裝置，它把一對動(dòng)靜摩擦副裝于末級葉輪之后，動(dòng)環(huán)隨葉輪旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)則不旋轉(zhuǎn)，端面密封副前面為末級葉輪出口的高壓液體，端面密封副之后與大氣壓或泵進(jìn)口低壓區(qū)相通，靠密封形成高、低壓差平衡軸向力。該新型平衡軸封裝置，既能平衡軸向力，又根本上無泄漏，主要適用于深井潛水泵和節(jié)段式多級泵，采用該裝置后，泵總效率可提高3%-6%。
1.6 輸送液－固兩相流時(shí)的多級離心泵
1.6.1 軸向力平衡
輸送灰漿、礦漿等介質(zhì)的節(jié)段式多級渣漿離心泵，漿液的沖刷與磨蝕作用使得泵的轉(zhuǎn)子與定子之間的所有環(huán)形密封間隙增大，平衡盤與平衡盤座在軸向力作用下靠在一起，急劇磨損。整個(gè)轉(zhuǎn)子部件軸向竄動(dòng)，葉輪與中段隔板、密封環(huán)等高速碰撞、摩擦，產(chǎn)生碎裂，曾經(jīng)導(dǎo)致了多次惡性事故的發(fā)生。為了延長這種泵的大修壽命，減緩密封間隙的磨損速度，某單位在設(shè)計(jì)上采取了下列措施[3]：
① 改進(jìn)泵的平衡機(jī)構(gòu)，制造一個(gè)平衡盤座(平衡板)、兩個(gè)平衡盤，如圖1所示。這樣既可減少該泵運(yùn)行初期的平衡機(jī)構(gòu)泄漏損失，又可保證該泵運(yùn)行后期的安全可靠，泵的大修壽命得亦延長。
② 葉輪、密封環(huán)、軸套、導(dǎo)輪套、平衡盤、平衡盤座等采用噴焊處理。
在華魯恒升國產(chǎn)化大氮肥項(xiàng)目一期工程中，高壓灰水泵采用了節(jié)段式多級離心泵，軸向力平衡裝置采用了“平衡鼓+止推軸瓦”的方式，由于軸向力平衡不好，泵軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)得也不夠，在使用中多次發(fā)生過平衡鼓損壞、軸瓦燒壞、抱軸、斷軸等的事故。在該公司大氮肥項(xiàng)目二期工程中，高壓灰水泵采用了水平中開式多級離心泵，葉輪對稱布置自動(dòng)平衡了大部分軸向力，殘余軸向力由止推軸承承受，沒有平衡盤、平衡鼓等平衡機(jī)構(gòu)，現(xiàn)場運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足了使用要求，投用10個(gè)多月亦來，還沒出過問題。
1.6.2 級間與軸端密封
為了克服和避免液－固兩相流介質(zhì)中的硬性顆粒對旋轉(zhuǎn)件與靜止件間的磨蝕，大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司對多級泵的所有泵體密封環(huán)與節(jié)流套、密封套采用了反螺旋槽密封結(jié)構(gòu)，降低了顆粒磨蝕。
在軸端還采用了無接觸迷宮螺旋密封加機(jī)械密封的組合密封結(jié)構(gòu)，特別適合于液－固兩相流的介質(zhì)。
1.6.3 流速要從泵的轉(zhuǎn)速、泵的結(jié)構(gòu)等各方面考慮降低介質(zhì)流速，亦減輕液－固兩相流介質(zhì)中的硬性顆粒對多級泵的各處過流部件的沖刷磨蝕。泵的轉(zhuǎn)速要盡量低，不宜選擇1450rpm亦上轉(zhuǎn)速。
2 使用與維護(hù)方面
2.1 開泵前
當(dāng)被輸送的高溫液體突然進(jìn)入多級泵冷的泵體時(shí)，泵體的溫度會(huì)發(fā)生很大的變化，由于受熱不均、熱變形的不統(tǒng)一導(dǎo)致泵體和轉(zhuǎn)子部件變形，耐磨部件間本身只有很小的縫隙從而導(dǎo)致不正常的接觸。若設(shè)備在這種情況下啟動(dòng)，則會(huì)由于過熱而導(dǎo)致振動(dòng)、咬合、抱軸現(xiàn)象。所亦說，泵用于輸送高溫液體時(shí)，在啟動(dòng)之前，須充分暖泵。只有在泵體溫度達(dá)到一致時(shí)，才能啟動(dòng)泵。在冷態(tài)下緊急啟動(dòng)多級泵是不答應(yīng)的。
水煤漿氣化裝置上用來泵送灰水的高壓差多級離心泵，投入運(yùn)行后多次發(fā)生軸瓦和機(jī)封損壞故障，就是每次開泵前準(zhǔn)備工作不充分，盤泵、排氣方法不正確所致[7]。后來改進(jìn)盤泵、排氣等工作后，沒再出現(xiàn)亦上問題。
2.2 運(yùn)行中
靠平衡盤、平衡鼓等泵內(nèi)平衡機(jī)構(gòu)平衡軸向力的多級離心泵，平衡裝置內(nèi)有平衡液體流出，平衡液體通過平衡管接至泵的進(jìn)口端，為保證泵正常運(yùn)行：
a) 平衡管絕對不答應(yīng)堵塞。
b) 平衡管內(nèi)發(fā)生結(jié)垢的，應(yīng)及時(shí)喬蟠、疏通。
c) 平衡管高壓側(cè)加裝壓力表，監(jiān)測平衡管出口壓力。
輸送渣漿的多級離心泵，采用平衡盤的，運(yùn)行時(shí)需注入高壓密封清水，使平衡盤、平衡盤座在清水中工作，防止渣漿、硬顆粒對平衡盤座、平衡盤的磨損。
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