沈鼓石化泵有限公司　王英敏

一、前言

某煉油廠80萬t/a延遲焦化裝置，共兩臺(tái)高壓除焦水泵,均采用沈陽水泵廠生產(chǎn)的DBM250-155X13型高壓水泵,性能參數(shù)如下。

額定流量：Q=250m³/h

額定揚(yáng)程：H=2050mo

轉(zhuǎn)速：n=2980r/min

泵級(jí)數(shù)：13級(jí)

該泵自2003年開始投入運(yùn)行以來，每天需要工作4h左右，起停一兩次，運(yùn)轉(zhuǎn)一直十分平穩(wěn)。但是2014年泵軸葉輪卡環(huán)處突然發(fā)生斷裂。

二、斷軸失效原因分析

1.原泵結(jié)構(gòu)

泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出葉輪是按順序熱裝在軸上，所有葉輪都用卡環(huán)軸向逐級(jí)定位。這樣不會(huì)出現(xiàn)累計(jì)加工誤差，可以保證每個(gè)葉輪與導(dǎo)葉都能夠良好對(duì)中，同時(shí)熱裝也提高了轉(zhuǎn)子的剛性，使泵工作平穩(wěn)可靠，是目前很多重要的大機(jī)組轉(zhuǎn)子普遍采用的種裝配方式。但這種結(jié)構(gòu)對(duì)加工精度要求很高，由于合金鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感度高，卡環(huán)槽處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中和疲勞失效，如遇工況不穩(wěn)定，頻繁起停，操作不當(dāng)?shù)韧庠谝蛩?，很可能?huì)產(chǎn)生斷軸。

2.斷軸原因分析

停車解體檢查發(fā)現(xiàn)，斷面發(fā)生在第8級(jí)的葉輪卡環(huán)處，如圖2所示，此處位于轉(zhuǎn)子的中心位置，撓度Z大，很容易發(fā)生斷裂，泵軸總長2960mm，葉輪軸徑φ105mm，材質(zhì)為4Cr14Mo，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。

通過一系列的分析可知，泵軸斷口表現(xiàn)為疲勞失效特征，位于斷口位置的卡環(huán)槽處過渡圓角過小，形成了很高的局部應(yīng)力集中，裂紋往往在此處萌生，這是葉輪失效的主要原因。

此處泵軸的疲勞斷裂還與運(yùn)行條件有關(guān)。由于泵軸長期接觸含有酸、堿、鹽的污水，在這樣惡劣的腐蝕環(huán)境下，金屬材料的疲勞強(qiáng)度急劇下降，其表面的腐蝕產(chǎn)物嵌入金屬表面，在外加交變應(yīng)力的作用下，引起腐蝕疲勞斷裂。

三、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化

1.更改葉輪和軸的裝配形式

葉輪和軸的裝配形式改為滑裝(見圖3)，首級(jí)一咔輪采用軸肩定位，次級(jí)葉輪逐級(jí)靠死，這樣就取消了卡環(huán)(槽)，葉輪處的軸全是光軸，這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，但這種結(jié)構(gòu)避免了由卡環(huán)槽加工質(zhì)量不好而引起的應(yīng)力集中。

2.更改葉輪鍵槽的布置形式

原泵相鄰兩個(gè)葉輪的鍵槽是180°對(duì)稱布置(見圖l)，實(shí)踐證明，這樣的布置形式很容易在鍵槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中。更改相鄰兩個(gè)葉輪的鍵槽互為120°布置，這樣軸的受力更加均勻。

3.選擇強(qiáng)度更高的材料

原泵的材質(zhì)為IR3Mo (4Cr14Mo)，該材質(zhì)為引進(jìn)德國KSB公司高壓鍋爐給水泵用材料，該材料的強(qiáng)度等性能參數(shù)非常優(yōu)良，通過多年的使用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其熱處理后很容易出現(xiàn)表面裂紋。針對(duì)高壓除焦水泵運(yùn)行工況的特點(diǎn)，決定泵軸材料選用1.4313(0Cr13Ni4Mo)，該材料為沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)石化泵有限公司近年來引進(jìn)的超臨界機(jī)組高壓鍋爐給水泵所用的軸材料，該材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于IR3Mo (4Cr14Mo)，更適合作為高壓除焦水泵上傳遞大扭矩的泵軸使用。兩者主要性能指標(biāo)見下表。

4.優(yōu)化泵軸的結(jié)構(gòu).提高加工質(zhì)量

設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡量降低軸危險(xiǎn)截面的應(yīng)力集中系數(shù)，改善泵軸的工作應(yīng)力狀態(tài)。軸的截面變化處如軸肩、鍵槽等位置，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，疲勞破壞往往在此發(fā)生，因此在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能提高軸的表面質(zhì)量，如可采用增大軸肩處圓角半徑，在鍵槽底部加圓角及提高軸的表面粗糙度等措施。

5.選擇合理的長徑比

經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于H-=1800m系列的n=3000r/min的多級(jí)泵，軸的長徑比 L/d (L為兩徑向軸承中心距離(公眾號(hào):泵管家)，d為裝葉輪處的軸徑)應(yīng)該在20~25,對(duì)于要求頻繁起動(dòng)的泵，建議值不小于23。

6.選擇合適的轉(zhuǎn)速

對(duì)于高壓除焦水泵和除鱗泵等這些揚(yáng)程較高的泵，在汽蝕余量允許的情況下，盡可能選擇較高的轉(zhuǎn)速。這樣可以減少泵的休積和級(jí)數(shù)，泵軸的長徑比會(huì)更小一些，減小泵軸承受的扭矩，使泵的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

經(jīng)驗(yàn)表明對(duì)于n=5000~6000r/min的多級(jí)泵，長徑比應(yīng)在20以下。

四、改造方案的確定

據(jù)此泵的實(shí)際情況，考慮到用戶檢修工期比較短，決定?對(duì)泵的轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行改造，所有的定子件利舊這樣既保證了交貨朔又可以降低改造成本。

由于首級(jí)葉輪要采取軸肩定位，葉輪輪毅處的水力尺寸需要增加，考慮到吸入面積的減小會(huì)影響到泵的必需汽蝕佘量，在保證吸入口面積不變的情況下，上抬葉輪的前蓋板入口尺寸。次級(jí)葉輪吸入口面積適當(dāng)減小對(duì)泵的性能影響不大，聽以次級(jí)葉輪之間采用薄軸套定位，并適當(dāng)增加葉輪處的軸徑，這樣次級(jí)葉輪的毛壞就可以利舊，縮短了加工周期，平衡鼓和末級(jí)葉輪之間采用軸套定位。其余的轉(zhuǎn)子零件，比如平衡盤鎖緊螺母和推力盤等全部利舊。

五、結(jié)語

高壓水泵改造完成后，在廠內(nèi)進(jìn)行性能試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。在用戶現(xiàn)場已安全穩(wěn)定運(yùn)行兩年，用戶對(duì)改造結(jié)果非常滿意。此高壓水泵的改造成功為多級(jí)數(shù)、高揚(yáng)程的高壓離心泵的改造和同類新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。