悬臂式离心泵轴断的原因及对策

邹树炎，未洪峰，贾雪维

（吉林石化公司炼油厂，吉林吉林 132000）

0 引言

吉林石化公司生产装置的乙酸乙酯高压溶剂泵G-607，是一种单级、单吸、悬臂式离心泵，其作用是向各个下游客户分发从D-601 乙酸再循环柱中获得的高纯度（99.9%）乙酸。该泵是化工生产中的一个关键环节，在氧化区进行碱性清洗时，该泵需要增大乙酸水溶液的加入量，使其流量增加一倍。如果该泵出现问题、维修不当，则会使母液不均衡、将有机物质带入设备产生废气，进而流入废气膨胀器，使整台设备停止运转，极有可能引发生产事故。而且，由于该泵所用的介质是高密度乙酸，所以在维修过程中经常会影响环境。本文将对该故障原因进行剖析，并采取相应措施，以保证其长时间平稳运转。

1 现有装备

该泵于2006 年投入使用，曾于2008 年7 月出现过一起悬臂式离心泵故障，断裂的部位在叶片头部的螺杆和叶片的轴肩部位，但经过维修后再次投入使用。

该泵以双相不锈钢作为主要原料，采用2507#钢的螺壳式和2205#钢的泵轴。其扬程为198.8 m，流速为140 m/h，额定速度2945 r/min，叶轮的直径392 mm，电机功率185 kW（表1）。由于水泵不在设计工况状态下工作，所以其在设计工作状态的流量用表示。

表1 水泵的运行状况

2 轴断裂原因

2.1 泵轴径的初验

在悬臂式离心泵出现轴断裂的情况下，必须对其选材和结构进行全面研究，并进行合理分析。

从现场的工作情况得知，该泵流速为60 m/h、扬程为230 m，介质浓度为0.988 3 kg/m3，该时间点的工作效能η 为40%，因此其功耗为167.28 kW。在此基础上分析泵的额定输出功率，得出泵的转矩为541.5 N·m、轴径为39.9 mm。

目前运行泵的轴径为46 mm，因此理论上泵的轴径是合适的。

2.2 轮轴的力学性能检验

在消除轴向尺寸过小的情况下，根据应力大小对其进行校核。从该轴的应力解析曲线可以看出，泵的主轴主要有以下4 种受力（图1）：①轴向作用力F轴，其原因是叶轮的前、后两个盖片不均匀；②由于叶片的自重FG和叶片的外周面的不均匀的压力分配而导致的径向力F径；③电机经由耦合器传送的转矩Mn；④轴承的支撑力NA、NB以及与FA轴向力与F轴相同且反向。其中，NA、NB、FA不会影响轴向的强度。

G607 泵的轴颈大部分在安装叶片的轴肩部位出现裂纹，其横截面直径为46 mm，用该截面作为对其进行校核的强度的分析。

从应力分析的角度，得出由耦合装置传输的转矩Mn为9550×PC/n，其中PC为1.2P、P=ρgQH/（1000η）。通过对其特性的分析，可以得出各种工作条件下的Mn（求出的横断面扭矩）和剪切应力τ（表2）。

由表2 可知，随着泵工作流速的增大，泵轴的剪应力τ 增大，然而即便在工况1、大流速时，直径46 mm 的泵轴仍然具有足够的抗剪应力强度，因此造成泵轴破裂的原因并非剪切应力。

此水泵为单级单吸径流式，在叶片的中心设有4 个平衡孔，泵体承受一定的轴向力且不会随着工作流量的改变而改变；从断轴的失效情况来看，不是由于轴向作用力造成的。若轴向作用力太大，则会使推力轴承受过大的载荷力，使其滚动件和滚动滑道发生异常磨损，甚至产生摩擦和过热情况，但每一次事故后解体，水泵的推力轴承都是完好的。所以可以排除由轴向力引起的断裂轴失效的假设。

通常采用螺旋式压水腔的离心式水泵，按设计的流率来确定其压水腔的结构，此时，流体的流速和压强分布都是均匀的，并且是轴对称的，从原理上讲可以相互抵消、没有轴向力。然而，在工作流量没有达到设计流量的情况下，压水室与叶片的压力均衡会发生变化，从而导致压力分布不均匀、不对称，从而形成径向应力。假定在没有计算出转子非平衡时产生的离心力的情况下，径向力FG是由于叶片自重FG和叶片周围的不均匀的外周面压力所致。

泵的轴心受到的径向力与其工作流速、扬程成反比，而弯矩M径、总弯矩M、弯矩力σw与泵的运行流速、扬程成比，即当工作流速减小时，弯拉应力σw增大而扬程增大。G1-607B 和G2-607A 的运行速度都不及正常工作流量的1/2，且输出压高达2.3 MPa，势必增大泵轴的弯曲应力，从而造成2205#钢泵轴的疲劳性能不足。

2.3 轴体断裂原因的研究

从主轴的断口位置可以看出，最初大部分的断口是位于轴头固定的螺帽螺杆上，随着断口的增大，破裂部分会移动到叶片上的轴肩，轴肩与叶片轮毂的端部相接触，作为轴向的位置，而在其拐角容易出现一个应力聚集的区域；多次出现在叶片装配键的位置，断口为侵蚀、脱落。宏观上来看，断裂断口呈扁平形或略有凸出，与轴基本上是平行的，也没有显著的塑性形变，这表明断裂为脆性断裂。

2.4 综合判断失效的成因

通过上述分析，得出断裂轴系失效的主要原因有以下3 个。

（1）由于弯矩和扭矩的作用，轴的表面应力最大，而截面的改变使轴肩出现了应力聚集，轴肩过渡退刀槽附近的一个较弱的部位就会产生疲劳裂缝。在叶轮离心力的作用下，裂缝会越来越大，从而导致破坏区域的缩小，当受到的载荷比最小的截面过小时就会出现瞬间的断裂。

（2）从键凹处的断裂处可以推断出，这里有裂缝的侵蚀。裂缝腐蚀是在腐蚀介质中金属材料的裂缝及其他隐秘位置普遍存在的一种较大的局部腐蚀。由于间隙中的氧气含量和电解液成分不同，同时也具有自我促进的功能，因此在活化/钝化或富余的电池生成之后，阳极区（槽的内侧）的侵蚀更加严重。因为这种悬臂式离心泵的叶轮组装方式，会有液体（99%的乙酸）进入泵的安装孔和泵体轴线，导致很大的裂缝，而且键槽是传递力矩的地方，所以当材料被侵蚀的时候就会受到破坏。

（3）转轴不均衡是造成泵体直径力增大的主要因素，所以必须加以重视。引起泵的转子不平衡的因素主要有两种：

一是泵的轴头部破裂而增加了拆装困难。通常拆除方式是，把叶片和断裂的轴一起放在压床上，然后利用液压工具把断裂的轴挤压出来。而且，因为破碎的轴往往会在叶轮的安装孔和轴颈的缝隙中形成一些细小的金属粒子，所以在挤压轴杆时会有金属粒子进入叶片内部。发生这种情况后，往往需要用锉刀来修磨内部的孔径，从而使叶轮内部的孔径不圆化，使其与轴颈部的啮合不匀，从而引起旋转的不对称。

二是叶轮口环的磨耗。每一次出现的停机都是因为泵体的轴向破裂而引起的，当泵的转速较快时，一旦泵轴发生破裂，由于惯性作用叶轮与泵体分离后仍然会继续转动，从而引起口环与泵体的摩擦、磨损口环。针对这一问题，传统的处理方法是拆卸老口环、对口环进行再处理，但会造成叶片的不均匀性。

3 改善措施

根据上述泵轴断裂的原因，本文提出如下改善方法：

（1）过程改善。由于负载较小，生产过程中水泵不能在设计工况下正常工作，需要通过开启回流旁通线的逆流阀门调整流量，使水泵接近标称工作点，进而降低径向力、弯矩和应力。

（2）增加叶轮固定螺帽上的螺纹直径，从24 mm 增加至27 mm。

（3）将轴头原槽位置改为半径为5 mm 的圆形，以实现在转轴台阶上的平滑过渡，从而消除变直径部位的应力集中。

（4）安装转子时应先检验叶轮的内孔，如果内孔有磨耗或划破的则应采用研磨机对内孔进行修补（泵轴的轴直径要按内孔修理后的大小同步增大）；如果口环有磨损，则应重新换口环。然后再通过静平衡、装上轴、锁定螺帽工序，使整体转动平衡，减小不平衡轴对轴径向力和弯矩的作用。

（5）为防止间隙的侵蚀，在叶轮锁定螺母上、叶轮背面与泵的轴心之间添加密封件，使介质和泵的轴心完全隔绝。

4 总结

乙酸高压泵是化工生产过程中的关键设备，其工作状态直接影响整个装置的安全，同时泵的工作环境十分复杂，对泵的结构和检修要求也很高。本文就这种悬臂式离心泵发生断裂的情况进行研究，提出相应的改进方案，提高了泵体的工作状态。在每一次维修中，维修人员都要仔细地查看零件，特别是对叶片内部的零件进行修补，通过多个方面的工作大大延长泵轴的使用寿命。