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

額定揚程：H=2050mo

轉(zhuǎn)速：n=2980r/min

泵級數(shù)：13級

該泵自2003年開始投入運行以來，每天需要工作4h左右，起停一兩次，運轉(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)軸向逐級定位。這樣不會出現(xiàn)累計加工誤差，可以保證每個葉輪與導葉都能夠良好對中，同時熱裝也提高了轉(zhuǎn)子的剛性，使泵工作平穩(wěn)可靠，是目前很多重要的大機組轉(zhuǎn)子普遍采用的種裝配方式。但這種結(jié)構(gòu)對加工精度要求很高，由于合金鋼對應力集中的敏感度高，卡環(huán)槽處極易產(chǎn)生應力集中和疲勞失效，如遇工況不穩(wěn)定，頻繁起停，操作不當?shù)韧庠谝蛩?，很可能會產(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行條件有關。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，在外加交變應力的作用下，引起腐蝕疲勞斷裂。

三、結(jié)構(gòu)改進及優(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)，首級一咔輪采用軸肩定位，次級葉輪逐級靠死，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)可能會出現(xiàn)累計誤差，但這種結(jié)構(gòu)避免了由卡環(huán)槽加工質(zhì)量不好而引起的應力集中。

2.更改葉輪鍵槽的布置形式

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

3.選擇強度更高的材料

原泵的材質(zhì)為IR3Mo (4Cr14Mo)，該材質(zhì)為引進德國KSB公司高壓鍋爐給水泵用材料，該材料的強度等性能參數(shù)非常優(yōu)良，通過多年的使用經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)其熱處理后很容易出現(xiàn)表面裂紋。針對高壓除焦水泵運行工況的特點，決定泵軸材料選用1.4313(0Cr13Ni4Mo)，該材料為沈陽鼓風機集團石化泵有限公司近年來引進的超臨界機組高壓鍋爐給水泵所用的軸材料，該材料的各項力學性能指標均優(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。兩者主要性能指標見下表。

4.優(yōu)化泵軸的結(jié)構(gòu).提高加工質(zhì)量

設計方面，應盡量降低軸危險截面的應力集中系數(shù)，改善泵軸的工作應力狀態(tài)。軸的截面變化處如軸肩、鍵槽等位置，會產(chǎn)生應力集中，疲勞破壞往往在此發(fā)生，因此在軸的結(jié)構(gòu)設計中，應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)驗表明，對于H-=1800m系列的n=3000r/min的多級泵，軸的長徑比 L/d (L為兩徑向軸承中心距離(公眾號:泵管家)，d為裝葉輪處的軸徑)應該在20~25,對于要求頻繁起動的泵，建議值不小于23。

6.選擇合適的轉(zhuǎn)速

對于高壓除焦水泵和除鱗泵等這些揚程較高的泵，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數(shù)，泵軸的長徑比會更小一些，減小泵軸承受的扭矩，使泵的運行更加穩(wěn)定可靠。

經(jīng)驗表明對于n=5000~6000r/min的多級泵，長徑比應在20以下。

四、改造方案的確定

據(jù)此泵的實際情況，考慮到用戶檢修工期比較短，決定?對泵的轉(zhuǎn)子部分進行改造，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。次級葉輪吸入口面積適當減小對泵的性能影響不大，聽以次級葉輪之間采用薄軸套定位，并適當增加葉輪處的軸徑，這樣次級葉輪的毛壞就可以利舊，縮短了加工周期，平衡鼓和末級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)進行性能試驗，各項性能指標均滿足要求。在用戶現(xiàn)場已安全穩(wěn)定運行兩年，用戶對改造結(jié)果非常滿意。此高壓水泵的改造成功為多級數(shù)、高揚程的高壓離心泵的改造和同類新產(chǎn)品的設計積累了經(jīng)驗。