軸流污水泵失效分析及改造對(duì)策
2020-01-19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(dòng)故障而停車維護(hù)。通過對(duì)軸封失效原因的分析，并對(duì)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(duì)密封室進(jìn)行了局部改造，徹底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。（中石化股份有限公司齊魯分公司供排水廠）
某公司供排水廠乙烯污水處理采用兩臺(tái)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(shí)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。
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(gè)徑向支撐采用整體式錫青銅滑動(dòng)軸承，用內(nèi)護(hù)管將其污水隔開。整個(gè)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?。?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(chǔ)油管進(jìn)水，運(yùn)行15-30天就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重軸系振動(dòng)，并伴隨著很大的噪音。拆機(jī)時(shí)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(dòng)，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(shí)對(duì)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。
隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)，這種趨勢不斷增大，致使密封逐級(jí)失效，Z后導(dǎo)致整個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)力密封加3只唇形密封的組合式兩段密封。
改造后的動(dòng)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(dòng)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?dòng)能后進(jìn)行流動(dòng)，到達(dá)環(huán)形迷宮槽的空間時(shí)再次轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，在流動(dòng)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(dòng)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(hào)。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(dòng)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(duì)填料套外表面鍍硬質(zhì)鋸以提高其耐磨性。動(dòng)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(dòng)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(dòng)力密封環(huán)帶動(dòng)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(duì)比
原污水泵在投用后大約24小時(shí)，從儲(chǔ)油管的示油器發(fā)現(xiàn)油位出現(xiàn)波動(dòng)，表明有污水進(jìn)入儲(chǔ)油管，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)，且逐漸加大。一般在工作三周后，噪音和震動(dòng)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