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轴流污水泵失效分析及改造对策

2020-01-19

李云先
（中石化股份有限公司齐鲁分公司供排水厂）

　　某给排水厂装置在投运中因发生严重轴系振动故障而停车维护。通过对轴封失效原因的分析，并对轴流污水泵进行泵体解体检查，发现了主要原因为轴承损坏，导致轴封失效和轴流污水泵故障。从密封原理和密封材料方面着手，对密封室进行了局部改造，彻底解决了污水泵故障问题，保证了生产的稳定长周期运行。
　　某公司供排水厂乙烯污水处理采用两台350WLC-600型立式轴流污水泵（Q=6000m³/h、H=7m、N=21kW、n=970r/min）(以下简称污水泵)，将池中的工业污水进行提升后，输送到污水处理装置。水泵24小时连续工作，所输送的介质为工业混合废水，含有一定量泥沙和杂质，pH值在5-9之间。该立式轴流泵具体结构如图1所示。

　　污水泵安装在吸水池顶的支撑台板上，泵体总高度4.8m，正常工作时泵体浸没深度约为2.5-3m。污水由过滤精度为5mm的机械格栅除去杂物后进入轴流泵吸入口。主轴带动叶轮顺时针旋转对污水做功，污水被加压后经外筒体和内护管之间的空间到达泵出口。
　　轴承室内装有2只7310BDB向心推力角接触球轴承和1只6310深沟球轴承，其余3个径向支撑采用整体式锡青铜滑动轴承，用内护管将其污水隔开。整个轴系靠轴承室的2只角接触球轴承轴向定位并承担不平衡轴向力，其余轴承只承受径向负荷。内护管有4节，下护管的下端与轴承室采用螺纹连接，螺纹管下端与轴承外圈压紧，以保证轴向定位。
　　轴承采用脂润滑，轴承压盖装有1只旋转式唇形油封，防止外部灰尘、水分等进入润滑系统;轴承下部也装有1只旋转式唇形油封，用来防止润滑脂的流失。内护管内充满润滑油，注油管上有油位指示，观察润滑油是否流失或被污染。在泵体下部的填料函内装有7件串联布置的旋转轴唇形密封，防止润滑油外漏及污水窜入内护管。
　　1.存在问题
　　污水泵自投用以来，因故障频发导致多次非计划停车，先是发现储油管进水，运行15-30天就会发生严重轴系振动，并伴随着很大的噪音。拆机时发现，轴承室的润滑油中含有部分污水和泥沙，滚珠和轴瓦损坏严重。7组唇形密封均出现不同程度的变形，与其配合的相应轴颈部分也出现轻微磨损痕迹。虽经多次维护并更换零件，均未能解决问题，被迫进行改造。
　　2.原因分析
　　从污水泵轴封结构来看，轴封是由串联的7件带副唇的旋转轴唇形密封和橡胶O形环两部分组成[1]。旋转轴唇形密封起到主要的轴向密封作用，防止污水通过轴向间隙进入轴承室；O形环起到辅助的径向和轴向密封作用，阻碍主轴与填料之间的介质流通。根据检修发现的问题来分析，轴封失效和轴承损坏是引起污水泵发生故障的主要原因[2]。
　　通常引起本类轴封失效的原因大致如下：1）轴径向跳动，造成唇口追随不良[3]；2）唇口冷却润滑不良，接触面因摩擦导致密封元件温度过高，而使橡胶材料变软，弹性下降，丧失密封性能[4]；3）填料套与唇口过度磨损；4）所处理的介质压力过高，使唇形密封出现过大的柔性变形；5）介质存在固体颗粒造成唇口过快磨损，导致密封失效[5]。
　　检修时对各相关部件检测结果表明:主轴运转平稳，不存在偏心运转;唇口润滑良好，未出现过热，这些因素尚不至于影响污水泵的正常运行。各组唇形密封环唇口出现不同程度的磨损且密封环很容易产生变形，由此可以断定：轴封失效是导致轴承损坏和污水泵故障的关键。

　　原轴封结构仅采用橡胶唇形密封环作为主要轴向密封设施，隔断污水进入轴承室[6]。橡胶环本身存在着柔性高、刚度低，承压能力低的特点，在压力作用下易出现过大的柔性变形[2]，致使密封失效[7-8]。故障形成的过程中应该是这样：较高压力的污水夹杂着泥沙直接到达唇形密封的端面，密封唇口的压力过大，使Z先接触介质的个唇形橡胶环出现变形，随着压力的持续导致过大的柔性变形，致使组密封环失效[9]；介质流过密封环进入到第二组与组密封环的环腔，压力介质又作用到第二组密封环的端面，第二组密封环也因承受不了压力介质的作用而出现与组同样过大的柔性失稳。
　　随着运行时间的延续，这种趋势不断增大，致使密封逐级失效，Z后导致整个轴封全部失效[10]，使得大量的污水夹带泥沙等颗粒进入密封唇口的接触面，加剧了接触面的磨损。因轴封失效，污水夹带泥沙穿过密封进入内护管内而与润滑油混合，混有污水的润滑油进入到轴承室，恶化了轴承的工作状态。轴承在含有污水和泥沙润滑油情况下高速旋转，很快损坏。
　　3.改造对策
　　从以上分析可知，350WLC型立式污水泵的失效，是因轴封失效而引起，解决问题的关键是采用适合的轴封结构，阻止污水进入轴承室，保证轴承的正常运转，从而保证污水泵的安稳运行[11]。
　　单从解决350WLC型立式污水泵的轴封泄漏看，改为机械密封可以达到要求。但考虑到密封浸在污水中，而污水中含有大量泥沙等杂质，很难对机械密封进行冲洗，易造成损坏，而且机械密封费用较高。原填料函结构尺寸较小，改造难度大，也难以实现。
　　通过分析，从本污水泵的实际情况出发，本着经济、实用、可靠的原则决定对密封室进行局部结构改造，解决泄漏问题。
　　3.1改造方案
　　改造唇形密封结构，缩短填料套尺寸，腾出空间下设动力密封结构。将原设置于填料套上端用于轴向密封的O形橡胶环移至填料套下端。改造前、后的密封室结构见图2、图3。由改造前的一段7只唇形密封改造成为动力密封加3只唇形密封的组合式两段密封。

　　3.2改造后的密封机理
　　改造后的动力密封环开有三道环形迷宫槽，下端开有V型槽。在离心力作用下，旋转的污水在密封环下部和填料函内壁的环形区域形成高压区，部分地阻止了污水流向密封腔，并将污水中的泥沙等颗粒物有效地甩出密封腔。加压污水流经动力密封环与填料函的间隙，起始是以较高的静压能进入，在间隙中转变为动能后进行流动，到达环形迷宫槽的空间时再次转变为静压能，在流动和能量的转变过程中消耗了部分能量，使再次转变的静压能小于起始值。多次流动和转变后，能量降低到一定值，介质失去了外泄的能量达到密封。欢迎关注泵友圈微信公众号。上部的3只唇形密封环也起到了辅助密封作用，这样就从根本上改变了密封状态[12]。O型橡胶密封环能阻断介质从动力密封环到主轴间隙的泄漏，将其设置在填料套下端也避免了杂质在间隙中集结，保证了正常运转。
　　3.3密封件材料选择
　　改造后上端唇形密封结构件的材料不变，仅对填料套外表面镀硬质锯以提高其耐磨性。动力密封环采用18-8不锈钢，在下部填料函内部衬4mm的PVC衬套，用螺钉固定在填料函上。动力密封环与PVC衬套的间隙控制在0.1-0.15mm之间。高速旋转的动力密封环带动流体冲刷衬套内壁，带走了摩擦所产生的热，保证了PVC衬套的使用性能。
　　4.改造前、后运转状况对比
　　原污水泵在投用后大约24小时，从储油管的示油器发现油位出现波动，表明有污水进入储油管，随着运转时间的增长，这种现象越来越严重。运行10天左右，开始出现不规则的噪音和震动，且逐渐加大。一般在工作三周后，噪音和震动明显加大，难以维持正常运行。虽经多次维修并更换轴承和唇形橡胶环，但一直没能解决问题，且