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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中因發生嚴重軸系振動故障而停車維護。通過對軸封失效原因的分析,并對軸流污水泵進行泵體解體檢查,發現了主要原因為軸承損壞,導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,對密封室進行了局部改造,徹底解決了污水泵故障問題,保證了生產的穩定長周期運行。
  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),將池中的工業污水進行提升后,輸送到污水處理裝置。水泵24小時連續工作,所輸送的介質為工業混合廢水,含有一定量泥沙和雜質,pH值在5-9之間。該立式軸流泵具體結構如圖1所示。
 
  污水泵安裝在吸水池頂的支撐臺板上,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的機械格柵除去雜物后進入軸流泵吸入口。主軸帶動葉輪順時針旋轉對污水做功,污水被加壓后經外筒體和內護管之間的空間到達泵出口。
  軸承室內裝有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,用內護管將其污水隔開。整個軸系靠軸承室的2只角接觸球軸承軸向定位并承擔不平衡軸向力,其余軸承只承受徑向負荷。內護管有4節,下護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只旋轉式唇形油封,防止外部灰塵、水分等進入潤滑系統;軸承下部也裝有1只旋轉式唇形油封,用來防止潤滑脂的流失。內護管內充滿潤滑油,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裝有7件串聯布置的旋轉軸唇形密封,防止潤滑油外漏及污水竄入內護管。
  1.存在問題
  污水泵自投用以來,因故障頻發導致多次非計劃停車,先是發現儲油管進水,運行15-30天就會發生嚴重軸系振動,并伴隨著很大的噪音。拆機時發現,軸承室的潤滑油中含有部分污水和泥沙,滾珠和軸瓦損壞嚴重。7組唇形密封均出現不同程度的變形,與其配合的相應軸頸部分也出現輕微磨損痕跡。雖經多次維護并更換零件,均未能解決問題,被迫進行改造。
  2.原因分析
  從污水泵軸封結構來看,軸封是由串聯的7件帶副唇的旋轉軸唇形密封和橡膠O形環兩部分組成[1]。旋轉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入軸承室;O形環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流通。根據檢修發現的問題來分析,軸封失效和軸承損壞是引起污水泵發生故障的主要原因[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)所處理的介質壓力過高,使唇形密封出現過大的柔性變形;5)介質存在固體顆粒造成唇口過快磨損,導致密封失效[5]。
  檢修時對各相關部件檢測結果表明:主軸運轉平穩,不存在偏心運轉;唇口潤滑良好,未出現過熱,這些因素尚不至于影響污水泵的正常運行。各組唇形密封環唇口出現不同程度的磨損且密封環很容易產生變形,由此可以斷定:軸封失效是導致軸承損壞和污水泵故障的關鍵。
  原軸封結構僅采用橡膠唇形密封環作為主要軸向密封設施,隔斷污水進入軸承室[6]。橡膠環本身存在著柔性高、剛度低,承壓能力低的特點,在壓力作用下易出現過大的柔性變形[2],致使密封失效[7-8]。故障形成的過程中應該是這樣:較高壓力的污水夾雜著泥沙直接到達唇形密封的端面,密封唇口的壓力過大,使最先接觸介質的第一個唇形橡膠環出現變形,隨著壓力的持續導致過大的柔性變形,致使第一組密封環失效[9];介質流過密封環進入到第二組與第一組密封環的環腔,壓力介質又作用到第二組密封環的端面,第二組密封環也因承受不了壓力介質的作用而出現與第一組同樣過大的柔性失穩。
  隨著運行時間的延續,這種趨勢不斷增大,致使密封逐級失效,最后導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入內護管內而與潤滑油混合,混有污水的潤滑油進入到軸承室,惡化了軸承的工作狀態。軸承在含有污水和泥沙潤滑油情況下高速旋轉,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,解決問題的關鍵是采用適合的軸封結構,阻止污水進入軸承室,保證軸承的正常運轉,從而保證污水泵的安穩運行[11]。
  單從解決350WLC型立式污水泵的軸封泄漏看,改為機械密封可以達到要求。但考慮到密封浸在污水中,而污水中含有大量泥沙等雜質,很難對機械密封進行沖洗,易造成損壞,而且機械密封費用較高。原填料函結構尺寸較小,改造難度大,也難以實現。
  通過分析,從本污水泵的實際情況出發,本著經濟、實用、可靠的原則決定對密封室進行局部結構改造,解決泄漏問題。
  3.1改造方案
  改造唇形密封結構,縮短填料套尺寸,騰出空間下設動力密封結構。將原設置于填料套上端用于軸向密封的O形橡膠環移至填料套下端。改造前、后的密封室結構見圖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改造后的密封機理
  改造后的動力密封環開有三道環形迷宮槽,下端開有V型槽。在離心力作用下,旋轉的污水在密封環下部和填料函內壁的環形區域形成高壓區,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。加壓污水流經動力密封環與填料函的間隙,起始是以較高的靜壓能進入,在間隙中轉變為動能后進行流動,到達環形迷宮槽的空間時再次轉變為靜壓能,在流動和能量的轉變過程中消耗了部分能量,使再次轉變的靜壓能小于起始值。多次流動和轉變后,能量降低到一定值,介質失去了外泄的能量達到密封。歡迎關注泵友圈微信公眾號。上部的3只唇形密封環也起到了輔助密封作用,這樣就從根本上改變了密封狀態[12]。O型橡膠密封環能阻斷介質從動力密封環到主軸間隙的泄漏,將其設置在填料套下端也避免了雜質在間隙中集結,保證了正常運轉。
  3.3密封件材料選擇
  改造后上端唇形密封結構件的材料不變,僅對填料套外表面鍍硬質鋸以提高其耐磨性。動力密封環采用18-8不銹鋼,在下部填料函內部襯4mm的PVC襯套,用螺釘固定在填料函上。動力密封環與PVC襯套的間隙控制在0.1-0.15mm之間。高速旋轉的動力密封環帶動流體沖刷襯套內壁,帶走了摩擦所產生的熱,保證了PVC襯套的使用性能。
  4.改造前、后運轉狀況對比
  原污水泵在投用后大約24小時,從儲油管的示油器發現油位出現波動,表明有污水進入儲油管,隨著運轉時間的增長,這種現象越來越嚴重。運行10天左右,開始出現不規則的噪音和震動,且逐漸加大。一般在工作三周后,噪音和震動明顯加大,難以維持正常運行。雖經多次維修并更換軸承和唇形橡膠環,但一直沒能解決問題,且岀現故障的間隔時間變得越來越短,被迫進行頻繁地停機檢修和更換零件來維持生產。
  按本文的方法進行改造后的水泵先經兩小時試車,發現無異常,再連續試車24小時檢查示油器液位無明顯變化,證明沒發生內外泄漏,隨后投入到裝置正常服役。運行至今已達一年多時間,示油器油位一直正常,也再未出現噪音和震動現象。實踐證明,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入軸承室,保持軸承良好的潤滑狀態,實現污水泵的安穩運行。
  5.結束語
  從本污水泵出現的事故來看,損壞嚴重的是軸承,其次是唇形橡膠環的變形,實踐證明簡單維護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構改變了軸封部分,而原軸承系統保持不變,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,達到預期的效果。另外,本次改造是在既定結構的基礎上進行的,受原污水泵結構尺寸的限制,密封環的環形槽尺寸、下端V型槽以及與PVC襯套的間隙不能按照理論計算來確定,有關尺寸是采用相似結構進行類比而確定的。因此,在情況許可時密封部件的結構尺寸及材料可加以優化。
  參考文獻
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  [3]化工部設備設計中心站.機械密封新結構圖冊[M].上海:上海科學技術岀版社,1980.
  [4]陳德才,崔德容•機械密封設計制造與使用[M],北京:機械工業出版社,1993.
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  [12]潘俊兵•石油煉廠常見泵用機械密封的設計改進與應用[J].當代化工研究,2018(1)142-144.
來源:《化工設備與管道》2019年第1期
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