多级磁力泵故障分析与改进处理

焦文让 葛广新 王树林

（克拉玛依石化公司检维修中心 新疆克拉玛依）

一、前言

磁力泵是一种无泄漏、免维护、运行可靠性好的离心泵，具有安全、高效、节能的特性。但由于其自身的特点使其在很多方面又不同于传统的离心泵，所以要在安装、工艺、操作等方面采取一些措施和途径来保证其可靠运行。公司球罐区改造时其液化气装车泵就选用了磁力泵，型号MCAM80/3，大连海密梯克泵业有限公司生产，扬程160 m。投用初期2台泵使用一直都不理想，使用过程中多次出现盘不动车、打不上压力等问题。由于2台泵先后连续出现故障的情况较多，多次造成液化气球罐憋罐，影响上游装置的正常生产。为了能够彻底解决问题，对故障进行认真分析，最终通过改进机泵液力平衡系统和平衡盘材料、更换入口过滤网以及改善操作等方法，彻底消除了机泵的故障。

二、故障情况

公司液化气球罐区改造时新装2台磁力泵，由于是作为液化气装车泵，每天使用大概为2～4 h，开停频繁。在首次使用后两台泵就出现盘车重的现象，使用几次后，A、B泵先后出现了盘不动车的情况，经过拆检，发现2台泵表现基本一样，泵体内有一些焊渣、杂质，首级叶轮口环出现明显磨损。经过清理和对磨损部件的修复，对机泵进行了回装，但在后续的使用过程中又出现类似情况，而且平衡盘、平衡板磨损也明显加重，进行车修处理后回装。但是问题并没有根本解决，在后来的使用中，还多次出现压力打不起来，主要表现是出口阀不开的情况下压力正常，开出口阀后压力就会迅速下降，停泵后盘车出现卡涩，甚至盘不动。由于在最初的检修中，没有找到问题的真正原因，只是初步分析原因后，更换了较细的入口过滤网。虽然之后叶轮口环磨损的情况有所改善，但仍没有彻底解决该泵故障，所以导致以后的1个月内，2台泵频繁维修，而且每次机泵故障基本都表现为压力打不起来、盘车卡涩、平衡盘磨损。

图1 MCAM80/3磁力泵剖面图

三、故障分析

1.设备管线清理不干净机泵入口过滤网设置不当

图2 平衡盘动、静环磨损图片

检修中多次拆出过滤网检查，发现滤网中存在很多焊渣和金属杂质，这说明设备安装过程中管线清理不够干净，没有进行很好的清理吹扫，导致机泵在输送介质时，管线被被冲刷后杂质进入泵体。另外，我们测量发现，该泵各级叶轮口环半径间隙只有0.35 mm，而实际上该泵安装时采用了30目的过滤网，其网孔宽度就有0.6 mm，这势必导致一些直径＞0.35 mm的焊渣和金属杂质进入泵体内，而杂质一旦进入，就很容易进入叶轮口环，造成口环磨损，盘车卡涩，而且也会进入平衡腔，引起平衡盘动、静环面磨损，磨损严重时就出现盘不动车的情况，实际上在泵拆检时，泵体内也发现了较多的杂质，就充分说明了这一点。

图3 叶轮及壳体口环磨损图片

2.机泵本身设计存在缺陷

（1）液力平衡系统设计存在缺陷。该多级磁力泵3级叶轮都是同向布置，所以工作时会产生较大的轴向力，而其轴向力主要是靠平衡盘来平衡。通过多次对该泵的检修，发现该泵的平衡盘动、静环磨损都比较严重，而且机泵在运行过程中都会出现明显的碰磨声音。所以，就从该泵的液力平衡系统进行分析寻找原因。经过分析发现，这种磁力泵泵体内液力平衡系统液体流动主要分3路（图4），第1路，泵出口处的高压液体通过轴承体和泵座上的通流孔流向内磁处，其中一少部分通过前轴承与轴套之间的间隙后到泵轴的回流孔，起到对前轴承的润滑冷却作用，然后通过中空轴流到泵入口形成循环，其余部分则通过内磁与隔离套之间的间隙到达泵轴端，再回流到到泵入口形成循环，为磁套冷却；第2路，泵出口处的高压液体通过轴承体上的两个斜35°的平衡孔进入到平衡盘与平衡盘静环之间，再经过平衡盘动、静环面之间的间隙流到平衡盘后面，由于平衡盘后面的空间通过中空轴与泵入口相通，所以介质也就能够回流到泵入口形成循环；第,3路，末级叶轮背侧的高压液体，通过后轴承与轴套间隙后到达平衡盘与平衡盘静环之间，与第2路液体汇合，为后轴承润滑冷却。

图4 液力系统液体流向示意图

由于该泵3级叶轮都是同向安装，每级叶轮由于正反面存在的压力差，从而产生向后端的轴向力，而平衡盘恰好相反，后端与泵出口相通，为高压侧，而另外一侧与泵入口相通，为低压侧，所以平衡盘受到的推力正好与叶轮产生的轴向力相反，就能起到平衡的作用。当叶轮上的轴向力大于平衡盘上的平衡力时，泵转子就会向后端移动，使平衡盘动、静环面间的间隙减小，因而就减少了泄漏量，平衡盘高压侧的液体压力就会增加，由于平衡盘低压侧与泵入口想通，始终为低压，这就提高了平衡盘两侧的压力差，增加了平衡盘上的平衡力，如果转子不断向后端移动，到某一个位置，平衡力和轴向力相等，达到平衡。同样，当轴向力小于平衡力时，转子将向前端移动，所以平衡盘动静环之间的间隙会增大，平衡盘高压侧液体压力随之下降，平衡盘上承受的平衡力减小，移动一定距离后，轴向力和平衡力就会达到平衡。所以，平衡盘的平衡状态是动态的，也就是说泵的转子在某一平衡位置左右做轴向窜动，使平衡盘的轴向间隙（即平衡盘动静环面之间的间隙）发生变化。正常情况下该间隙值为0.09 mm到0.14 mm，当工作点改变时，转子就会轴向移动，具有自动平衡轴向力的特点，这就是该泵液力平衡系统的原理，一旦磁力泵的液力平衡破坏，就会造成平衡盘的长时间摩擦，引起损坏。根据磁力泵的液力平衡系统的原理，经过分析研究可知，该泵液力平衡系统设计上存在的2个缺点是导致平衡盘动、静环经常磨损的主要原因。

一是泵平衡盘动静环直径较大，其动静环的内径为228 mm，所以动静环面之间的通流面积就比较大，按照平衡盘正常的工作间隙0.09到0.14 mm，可以计算出平衡盘面处的通流面积 A=228×3.14×（ 0.09～0.14）≈64.4～100.2 mm2， 轴承体上两个平衡孔的直径仅为5 mm，由此可计算出平衡孔通流面积B=3.14×2.52×2=39.25 mm2。由此可以看出，平衡孔的通流面积比平衡盘正常运行期间的过流面积小很多，机泵运行期间根本无法满足液体的流动需求，而且由于轴承间隙非常小，从第3路到达平衡腔的流体也非常少，也无法补充足够的液体。所以这就是液力平衡系统存在的第一个缺点。

二是平衡盘的背侧通过中空轴与泵入口相同，但通过中空轴后，轴头背帽上的回流孔仅为3 mm，回流面积只有3.14×1.52=7.1 mm2，所以平衡盘的背面液体回流阻力就非常大，低压区就很难建立。如果平衡盘处过流量较大时，来不及回流，平衡盘低压侧的液体压力同样会增加，这对液力平衡系统作用的发挥非常不利，所以液力平衡系统的效果会大大降低，导致平衡盘经常接触摩擦而快速磨损。

（2）平衡盘动静环材料选择不合适。 由于机泵每次出现故障，平衡盘的动、静环表面都会有不同程度的磨损，即使是短时间使用后损坏，都会出现明显的磨损痕迹，严重时导致动、静环报废。所以又对平衡盘的材料进行分析，经查证，该泵设计时选择的平衡盘动静环材料为1.4462不锈钢，中国牌号为00Cr22Ni5Mo3N，是一种双相不锈钢，由于这种钢铬和钼的含量都很高，因此具有极好的抗点腐蚀和均匀腐蚀的能力。而实际上，平衡盘动、静环是一对相对旋转的摩擦副，虽然正常情况下有介质形成一层液膜相隔，但是在机泵启动、停泵或压力流量出现波动时，介质流量不稳定的情况下就会造成平衡盘动静、环的接触和摩擦，所以动、静环需要具有很好耐磨性能，这样才能避免碰磨时出现损伤发生粘连。而原来选用的不锈钢恰恰耐磨性能相对较弱，不能满足使用要求，而且该泵为装车泵，并不是连续运行，每天都必须开停，平衡盘在开停泵过程中的发生碰磨的机会较多，因此，才导致机泵的平衡盘动、静环接触摩擦后就出现严重磨损而盘不动车。

（3）机泵操作存在不足。灌泵不到位，泵内气体无法全部排出，开泵时泵出口阀开启太快，开度偏大，使泵在开启后叶轮入口处产生气蚀的情况，抽不上液体。

从现场操作情况看，该泵的出口有2道阀门，一道为电动闸阀，另外一道为手动球阀。操作人员在使用该泵时，首先是电动控制全开电动闸阀，随后灌泵启泵，泵启动后再全开出口手动阀，由于该阀为球阀，所以开启速度较快，几秒钟就能达到全开状态，而很多次都会在该阀打开后，泵内产生异响，出口压力迅速下降，泵内各部件出现干磨损坏。后来，经过多次调整实验，发现泵出口阀打开1/3时，其出口压力就能达到正常工作压力，如果再开大，压力就很可能迅速下降。而且经过验证，泵出口阀开度打开1/3时，流量也刚好达到额定流量，再开大时流量就不会有什么变化，所以这就是该泵的最佳运行工况。通过这个情况分析确定，该泵启动时，正是由于出口阀开启较快，开度偏大，导致泵入口供液不足而发生抽空，引起泵体内各部件干磨损坏，只是有时候罐内液位较高也就是泵入口压力较高，这种问题才可能避免。所以说最初多次开泵过程造成机泵损坏，多数情况都是由于罐内液位不够高，泵入口压力偏低，而出口阀瞬间全开导致泵内抽空而干磨损坏。另外，在灌泵时，操作人员通常只开入口阀，这就很难将泵体内存在的气相介质排出，这也是造成机泵产生气蚀的另一个重要原因。所以应针对2个问题改善操作方法。

四、故障处理

（1）针对机泵内存在杂质的问题，将泵入口过滤网进行更换，将原来使用的30目（网孔宽0.6 mm）改为50目（网孔宽度0.3 mm），这样就算存在杂质，那只能通过一些较小的颗粒，不会卡到机泵口环内，只要定期清理过滤网就能满足使用要求，而且随着长时间过滤，管线内的杂质也会减少，清理过滤网的频次就自然降低，并不会对日常操作带来影响。

（2）经过核算，对该泵轴承体上的平衡孔及泵轴上相应的回流孔进行了扩孔。为了能够满足该泵液力平衡系统所需的液体，轴承体上的平衡孔的通流面积应该保证不小于平衡盘动静环面之间的过流面积，因为平衡盘之间的间隙在0.09～0.14 mm，过流面积为64.4～100.2 mm2，通过计算得知，为了保证这个通流面积轴承体上的两个平衡孔的直径应该为Φ8 mm，所以我们将轴承体上的平衡孔扩为Φ8 mm。另外，按照液力平衡需求，平衡盘低压侧与泵入口之间回流孔的面积也应尽量达到这个通流面积，只有这样低压侧才会和泵入口保持通畅，在液力平衡过程中始终保持低压，使平衡系统的反应更灵敏，效果更明显。由于泵轴上的回流孔直径本身就足够大，最终影响液体回流的是轴头背帽上的小孔，这个孔原设计仅为Φ3 mm，考虑到此回流孔两侧的压差比较大，液体流速较大，为了不影响到机泵的使用效率，我们将该孔由原来的Φ3 mm扩到Φ8 mm，大大提高了液体回流的能力，保证了液力平衡的效果。

（3）由于平衡盘动、静环原来的材质为1.4462不锈钢，其耐磨性能较差，经过选型后将平衡盘动、静环材质改为HT250。因为HT250为珠光体类型的灰铸铁，其强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好。所以改用HT250后，平衡盘动、静环的耐磨性能会大大加强，即使使用过程中出现接触碰磨，也不至于瞬间磨损拉伤，使用寿命大大延长。

（4）由于磁力泵属于自润滑，所以对灌泵要求比较高，针对该泵经常性开停的特点，在操作上加强改善，要求操作人员在灌泵时将进、出口阀及回流管路阀门全部打开，由泵入口自压形成液体流动，将泵体内的气体排尽，保证泵体内能够完全充满液体，然后再关闭出口阀及回流阀。在起泵前，还要根据实际的入口压力（和罐液位有关）和泵的扬程，计算好泵出口的正常工作压力，起泵后慢慢打开出口阀门，不必全开，阀门开启直到泵出口压力稳定在起泵前计算出的工作压力，这样就操作完成，既保证了机泵内灌泵比较充实，也避免了机泵开启后出现抽空，使机泵运行更加稳定。

经过上述改造和操作变动后，机泵运行情况得到明显改善，再没有出现过故障，改造效果非常好。

五、结论

（1）对于新安装机泵特别是类似于磁力泵这种需要介质自润滑的设备，应充分清理吹扫设备管线和设备本体，合理设置入口过滤网，保证介质清洁，这是机泵能够正常运行的首要条件。

（2）磁力泵如果介质气相较多、灌泵不充分时，就会出现汽蚀抽空。气蚀对泵的危害非常大，发生气蚀时泵剧烈振动，液力平衡严重破坏，将导致泵轴承、平衡盘、叶轮等损坏。所以为了磁力泵能正常运转，必须充分地灌注与排气，灌泵时将泵入口管路、回流管路、出口管路中的阀门完全打开，将磁力泵的其气体排出，在输送液化气或易汽化的液体时，更要特别注意，直至保证泵中充满液体为止。

（3）多级磁力泵的润滑、冷却、轴向力平衡，主要是靠自身的液力平衡系统实现，而液力平衡系统效果的保证必须要求泵内输送的介质流量稳定、介质干净、各通流回流通道通畅。在磁力泵设计时应充分考虑到这一点，使机泵液力系统各部位的通流面积满足平衡调节的需要，才能充分发挥液力平衡的作用。

（4）对于可能存在相互摩擦的部件，应选择耐磨性能好的材料。不锈钢的耐腐蚀性能非常好，但其耐磨性能却较差，不适合做平衡盘等存在摩擦的部件。HT250不仅有一定的耐蚀能力而且耐磨性能更好，在平衡盘材料选择时应优先考虑。