文/王輝 戴貴榮 趙錦蓉 魏藝璇

離心泵作為一種通用機(jī)械，在航天航空、石油化工以及農(nóng)業(yè)排灌等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)于各種生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。由于懸浮顆粒物的磨蝕造成離心泵失效廣泛存在于各種工程實(shí)踐中，Roco M C 分析顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后得出過(guò)流部件的磨損原因?yàn)轭w粒的直接沖擊、紊亂沖擊和滑動(dòng)摩擦。

趙以奎通過(guò)數(shù)值模擬分析得出隨著顆粒直徑的不斷增大，固體顆粒呈現(xiàn)向葉輪工作面偏移的趨勢(shì)，由此造成葉輪工作面的切削磨損；固相體積濃度的增加對(duì)顆粒在葉輪流道內(nèi)的分布略有影響；葉輪的磨損主要發(fā)生在葉輪進(jìn)口處和葉輪的出口段。

劉娟通過(guò)高速影像技術(shù)研究得出大質(zhì)量的顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡包角大，軌跡偏向葉片工作面，對(duì)葉片工作面的撞擊幾率大，撞擊的區(qū)域集中在葉片頭部和工作面的中前部；小質(zhì)量顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡向葉片工作面方向的偏轉(zhuǎn)較小，與葉片工作面的撞擊幾率較小，且撞擊區(qū)域集中在葉片的頭部和出水邊。

楊敏官通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)葉輪流道中間軸截面上，在葉輪進(jìn)口處多為小粒徑顆粒，分布較均勻；沿徑向，逐漸有大粒徑顆粒，且大部分位于壓力面及附近，吸力面及其附近區(qū)域多為小粒徑顆粒，至出口處大粒徑顆粒分布趨于均勻。由此可見(jiàn)，輸送含有微量懸浮顆粒液體時(shí)的磨損破壞不容小視，在前期離心泵選型過(guò)程中就應(yīng)考慮該因素，以確定合適的泵型。

圖1 原始方案結(jié)構(gòu)圖

表1 膜過(guò)濾循環(huán)泵工藝參數(shù)

失效案例分析

案例背景

下圖為某15 萬(wàn)t 精制鹽水項(xiàng)目供貨一批鈦材離心泵，其裝置中膜過(guò)濾循環(huán)泵工藝參數(shù)具體如表1 所示，前期初步選型為單級(jí)閉式葉輪型離心泵，采用常規(guī)背靠背式雙端面非集裝式機(jī)械密封，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示。

該泵在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行約4 個(gè)月后，現(xiàn)場(chǎng)性能無(wú)法滿足，對(duì)泵進(jìn)行解體，拆檢后發(fā)現(xiàn)泵體、葉輪以及泵蓋有不同程度的磨損。泵體磨損部位主要為與葉輪口環(huán)配合處，形成約5mm 深的凹形槽，葉輪與泵體形成的前泵腔處也產(chǎn)生輕微磨損，如圖2 所示；葉輪葉片進(jìn)口基本完好，葉片出口工作面有輕微磨損，如圖3 所示，葉輪口環(huán)處磨損嚴(yán)重，形成約為2mm 深的凹形槽，如圖4 所示；泵蓋與葉輪形成的空腔內(nèi)有明顯沖刷痕跡，如圖5 所示；機(jī)械密封及軸套磨損，腔體內(nèi)堆積大量結(jié)晶物，彈簧元件被結(jié)晶物卡死致使機(jī)封失效。

原因分析

前期選型泵為閉式葉輪，葉輪前后蓋板與泵體、泵蓋形成的腔體，介質(zhì)顆粒物于前泵腔A 處堆積，形成“砂輪磨損”效應(yīng)，致使泵體口環(huán)處及泵體前腔壁磨損；介質(zhì)通過(guò)葉輪平衡孔進(jìn)入后泵腔在B 處堆積，同樣致使泵蓋產(chǎn)生磨損。原機(jī)械密封采用雙端面多彈簧結(jié)構(gòu)的非平衡型機(jī)封，介質(zhì)可以通過(guò)機(jī)封腔進(jìn)入彈簧元件，致使其卡頓失效。

圖2 泵體磨損示意圖

圖3 葉輪出口工作面磨損示意圖

圖4 葉輪口環(huán)處磨損示意圖

圖5 泵蓋磨損示意圖

改進(jìn)方案

針對(duì)以上問(wèn)題及原因分析，對(duì)現(xiàn)泵型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型，改型后結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6 所示，具體分析如下：

1.泵體前泵腔增加前耐磨板；

2.葉輪更換為半開(kāi)式葉輪，取消葉輪前蓋板，控制葉輪與前耐磨板之間間隙≤1 mm，避免懸浮顆粒的堆積，使懸浮顆粒的流動(dòng)性更好；

3. 取消平衡孔，葉輪后蓋板增設(shè)背葉片，以平衡軸向力；懸浮顆粒在背葉片離心力的作用下不易進(jìn)入密封腔，達(dá)到防止固體顆粒在密封腔沉積的目的。

4. 葉輪與泵蓋間增設(shè)后耐磨板，控制葉輪與后耐磨板之間間隙≤1mm，避免懸浮顆粒進(jìn)入后泵腔；

5. 泵蓋整改為大錐腔結(jié)構(gòu)，腔壁設(shè)計(jì)成條形導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)，防止顆粒在密封腔堆積，且有利于停車后介質(zhì)從機(jī)封腔排走；

6. 機(jī)械密封采用我公司獨(dú)特設(shè)計(jì)的彈簧元件外置式集裝式雙端面機(jī)械密封，彈簧固定在彈簧座上不轉(zhuǎn)動(dòng)，補(bǔ)償性好；其彈簧不會(huì)與介質(zhì)接觸，不會(huì)發(fā)生像一般機(jī)封因彈簧腐蝕，結(jié)晶物卡頓使彈簧失效等問(wèn)題；其密封面液膜的形成靠API682 中PLAN 54外沖洗的沖洗液，減少密封面磨損。

圖6 改型后結(jié)構(gòu)剖面圖

離心泵選型注意事項(xiàng)

化工離心泵的選型是至關(guān)重要的一項(xiàng)工作，在選型前期，首先要明確最基本的選型條件，現(xiàn)對(duì)選型過(guò)程中，介質(zhì)的物化特性及現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)的注意事項(xiàng)作一說(shuō)明：

輸送介質(zhì)的物理化學(xué)特性

輸送介質(zhì)的物化特性直接影響著泵的性能、材料及結(jié)構(gòu)，是選型時(shí)需要考慮的首要因素。如介質(zhì)特性（腐蝕性、磨蝕性以及有毒性等）、含固量及顆粒的大小以及介質(zhì)密度及粘度等。當(dāng)介質(zhì)中含固量較大時(shí)，應(yīng)考慮泵型是否滿足工況要求，含固量過(guò)大，應(yīng)選取渣漿泵或旋流泵；當(dāng)介質(zhì)粘度過(guò)大時(shí)，應(yīng)對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行換算，因?yàn)閷?duì)于葉片泵而言，隨著介質(zhì)粘度增大，其流量、揚(yáng)程下降，所耗功率增加；對(duì)容積泵而言，隨著介質(zhì)粘度增大，一般泄漏量下降，容積效率增加，泵的流量增加，但其總效率下降，泵的功耗增加。

工況參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)是泵選型的最重要的依據(jù)，最基本參數(shù)有流量、揚(yáng)程、進(jìn)/出口壓力、溫度及現(xiàn)場(chǎng)裝置汽蝕余量和操作狀態(tài)等。其中流量在選型過(guò)程中要按額定流量考慮，操作溫度按最大溫度考慮，尤其注意溫度對(duì)介質(zhì)特性的影響，工藝操作有可能導(dǎo)致介質(zhì)溫度發(fā)生變化，溫度是影響介質(zhì)粘度和汽化壓力的重要因素。

結(jié)論

1. 輸送含有微量懸浮固體顆粒時(shí)，葉輪的磨損主要表現(xiàn)在出口段的工作面。

2. 開(kāi)式葉輪可以有效地避免泵體與葉輪配合處產(chǎn)生“砂輪效應(yīng)”。

3. 當(dāng)輸送介質(zhì)中含有固體顆粒或易結(jié)晶物時(shí)，離心泵軸向力的平衡方式不宜采用平衡孔，可采用背葉片形式，以防止顆粒物通過(guò)平衡孔進(jìn)入后泵腔造成泵蓋磨損。

4.錐形密封腔有助于防止顆粒在摩擦副堆積，且有利于停車后介質(zhì)從機(jī)封腔排走。解決在惡劣工礦條件下（含微量固體顆粒、介質(zhì)易結(jié)晶和溫度高）機(jī)封使用壽命短的問(wèn)題。