裴家（jiā）圩泵站1#機組（zǔ）貫流泵水密封及導軸承故障修複改造
2013-01-09
摘 要：本文介（jiè）紹（shào）了蘇（sū）州裴家圩泵站臥式貫流泵機組運行及故障發生的情況，分析了水密封（fēng）及導軸承密封（fēng）結構的缺陷，是水泵故障的主要原因（yīn）。結合故障（zhàng）修複，對水密封及導軸承的結構型（xíng）式進行了改進，經過分析比較，選（xuǎn）用水潤滑賽龍軸承。
關鍵詞：臥式泵；水密封；導軸承；賽（sài）龍
蘇州裴家圩（xū）泵站裝有5台1900ZWS-1臥式豎井雙向全調節貫（guàn）流泵。
1 水泵水密封和（hé）水導軸承結構
水泵主軸密封位於導軸承後側，采用水壓活塞式（shì）密封和填料雙道密封結構。水壓活（huó）塞式密封由封水環、水封外環（huán）、橡膠活塞（sāi）密（mì）封環（huán）等組成，在水封腔內（nèi）通以壓力為0.1MPa的清（qīng）水，當密封水接通過後，水壓使活塞密封麵與泵軸不鏽鋼凸台表麵接觸，起到封水作用。停機時采用填料密封，機組運行時需不（bú）間斷供給壓力水，少量的（de）泄漏水從進水錐管下側導葉內的排水管排出，整個進水（shuǐ）錐是密封無水的。導軸承安（ān）裝在輪轂體內，為分（fèn）半式巴氏合金滑動軸承，稀油自潤（rùn）滑循環，用兩（liǎng）道骨架油封密封，潤滑油（yóu）從上部油杯加入。軸瓦上設一鉑熱電阻測溫元件，用以監視軸承溫度。
2 機組運行情況及故障的發（fā）生（shēng）
機組於2003年底安（ān）裝完畢，安裝（zhuāng）時水導軸承（chéng）的密封在靜態下用煤油做泄漏試驗，無泄漏現（xiàn）象。1#泵（bèng）在安裝結束後檢查時發現水導軸承的測溫電阻開路，由於河道已放水，未能進行處理。2004年6月下旬，機（jī）組投入運行，水泵的導軸承平均4～6h需加油（yóu）（32#透平油）一次，每次每台約8kg左右。9月1日後，根據水泵廠的意見，改加00#鋰基潤滑脂，軸承溫度相比加稀油（yóu）時（shí）高5~8℃，平均加油間隔時間為8h，每台每次加潤滑（huá）脂5~7kg不等。
經過幾天的運（yùn）行，從加油的次數和加油量（liàng）上看（kàn），用潤滑（huá）脂代替（tì）稀（xī）油潤滑，潤滑油的泄（xiè）漏並無明顯減少（shǎo）。當水導溫度上升到48℃~50℃時，上升特別快。由於1#泵水導（dǎo）無溫（wēn）度顯示（shì），從安（ān）全考慮，9月6日後1#泵重新使用（yòng）32#透平油（yóu），並縮短加油間隔，每次都將軸承油箱加滿。運行中發現1#水泵的排水管漏水量比另外4台水泵要大。至10月下旬，由於氣溫下降，其它機組根據軸承溫度變化情況，加油（yóu）間隔（gé）時間逐漸變長，為12~20h不等，加（jiā）油量同前。1#泵水導加油量逐漸減少，隻加（jiā）1~2kg油杯就滿，但機組運行並（bìng）未見異常。2004年12月19日，運行人員發現1#水泵推（tuī）力軸承座（zuò）軸頸和水泵（bèng）導葉上（shàng）部的供水管處向外噴水，於（yú）是緊急停機。1#機（jī）組（zǔ）從試運行到故障發生，共運行1300小時。
將1#泵打開檢查，發現橡膠活塞密封環的一道密封圈已經脫離密（mì）封檔，另一道密封圈斷（duàn）開，水（shuǐ）壓密封已失效；水壓密封座的導向銷斷裂。軸承（chéng）下部整個表麵巴氏合金層嚴重磨損、脫落，脫落的合金屑已結（jié）塊，結塊的厚度約2~4mm。泵軸表麵有（yǒu）嚴重的磨損拉溝。由於泵軸下沉，軸承兩端壓環將泵軸磨了兩道溝。
3 故障原因及結構缺（quē）陷分析
根據機組打開的情況，故障的（de）直接（jiē）原因是活塞密封環O形密封圈破壞，造成水的泄漏，排水管來不（bú）及排出，導（dǎo）軸承（chéng）內進水，導軸瓦在沒有潤滑油的情況下運（yùn）轉，導致主軸磨損、導軸承損壞（huài）。
裴（péi）家圩泵站設計年運行時間為3~4個月，長時間停機時，由於水體含（hán）有泥沙，密（mì）封活塞封水環表麵和密封圈會固結淤（yū）泥及雜質，運行時O形密（mì）封圈（quān）易損壞，密封（fēng）結構不適合裴家（jiā）圩泵站的運行工況（kuàng）。從打開的情況看，不鏽鋼凸台表麵已有（yǒu）磨損現（xiàn）象，活塞腔內也有固結淤（yū）泥。由於密封不好，密封用的壓力水反而會（huì）造成水的泄（xiè）漏。水密封的破壞，同時導致油密封的失效。
水導自潤滑循環軸（zhóu）承靠兩道骨架油封，密（mì）封的可靠（kào）性（xìng）較差。在水（shuǐ）泵運行時，由於泵（bèng）軸（zhóu）的（de）振動，外（wài）側密封圈易磨損，潤滑油的泄漏，造成水質的汙染，增加運行成本。按照設（shè）計年運行（háng）時間，裴家圩泵站一（yī）年會有8~10T油流入河中。填料密封位於進水錐管內，在運行（háng）一段（duàn）時間磨（mó）損後，需要排空流道內積水，進入到（dào）泵內部（bù）才可檢修。鉑熱電阻的壽命不長，一旦軸承失去溫（wēn）度（dù）監視，軸承箱內是油是水無法判定，安（ān）全運行不能保證。
根據以上分析，如果在原來的基礎上進行簡單的修複，不能從根本上解決（jué）問（wèn）題。必須對水密（mì）封的結構（gòu）型式和導軸承（chéng）的結構型（xíng）式進行改進。
4 修複方案的選擇
4.1 水（shuǐ）密封結（jié）構型（xíng）式的選擇
臥式泵（bèng）的（de）主軸水密封，一種是位於導軸承與葉輪之間，采（cǎi）用活塞密封與填料（liào）雙重密封，密封（fēng）的導水錐管內是無水的，導軸承油密封外側與（yǔ）空氣接觸，即幹式結構；另一種是靠近推力軸承一側，采用填料密封，導軸承油密封外側與水接觸，為濕式結構。根據上麵的分析，由於本站（zhàn）的運行特點，采用幹式（shì）結構密封的可靠性不能滿足要求（qiú），因此修複時考慮采用（yòng）濕式結構。即取消原（yuán）活塞密封機構及加水管（guǎn），填料密封機構移到原推力軸（zhóu）承位置，推力軸承向電機側平移（yí）。推（tuī）力軸承座與填料函之間通過集（jí）水盤聯（lián）接，集水盤的鋼（gāng）度和強度要滿足推力軸承的負荷要求，保證推力軸承的（de）穩定性。填料密封由流道內移至流道外，方便了填（tián）料的壓緊和更換。
4.2 導（dǎo）軸承型式的選擇
目前國內水泵導軸承主要有油（yóu）潤滑金屬軸（zhóu）承和水潤滑非金屬軸承。金屬滑（huá）動導軸承一（yī）般采用巴氏合金材料，有（yǒu）脂潤滑和稀（xī）油潤滑兩（liǎng）種潤滑方式。滾動軸（zhóu）承多見應用（yòng）於燈泡貫流式（shì）的貫流泵機組和臥式潛水泵機組，一般均用稀油潤滑，更換時拆裝工作量大，維修困難。根據本站的特點和運行情況，采用脂潤滑是不合適的，脂潤滑軸承與軸間建立油膜，軸線速度要求大（dà）於5.3m/s，而本站（zhàn）水泵轉速為（wéi）155r/min，泵軸直徑200mm，泵軸（zhóu）的（de）線速度隻有1.62m/s，且長期停機後油脂會老化、幹結。采用稀油潤（rùn）滑，不論是金屬滑動軸承（chéng）和滾動軸承（chéng），均需增加（jiā）稀油潤滑站或重力油箱，原有的密封結（jié）構需要更換改進。
由於（yú）本站是改進修複，為了減少水泵及外部（bù）結構大的改動，便於運行維修管理，與水密封（fēng）的改進相對（duì）應，導軸承考慮采用水潤滑（huá）非金（jīn）屬軸承。它不（bú）需（xū）要複雜的潤滑（huá）冷卻係統，不會引（yǐn）起水質的汙染。
4.3 水潤滑導軸（zhóu）承材料的（de）選擇
4.3.1 水潤滑非金屬軸承（chéng）比較
在水泵上應用的水潤滑非金屬（shǔ）軸承（chéng）有橡膠軸承、P23軸承（chéng）、F102軸承、彈性金屬塑料軸承（chéng）和（hé）賽龍軸承。橡膠軸（zhóu）承主要用於立式泵，臥（wò）式泵僅有秦淮新河泵站采用（yòng）過，是過去材料技術較落後的情況下使用的，其承載（zǎi）能力和耐磨性（xìng）較差。P23軸承（一種酚醛塑料軸承（chéng））在一（yī）些排澇泵站使用過，其運行的穩定性不高，累計運行2000多小時，泵（bèng）軸與軸承接觸麵已有拉毛痕跡。酚醛（quán）塑料脆性較大,一旦有碎屑脫落,會磨損（sǔn）並拉毛大軸。
F102軸承是混合纖（xiān）維增強樹脂的混雜纖維自潤滑複合材料，其中填加適量的固體潤滑劑和抗（kàng）磨（mó）劑等，具有良（liáng）好的摩擦磨損特性，可在幹（gàn）摩擦下或油、水（shuǐ）、乳化液等潤滑劑中工作。目前國（guó）內使用的泵站也不（bú）多，僅鹽官、張（zhāng）家塘及新東（dōng）台抽水站等使用，實際運行時間均較短，在大型臥式泵上的（de）應用還不能說有成功的經（jīng）驗。預期的5000h軸承壽命（mìng）還不能滿足要（yào）求。
彈性金屬塑料瓦用於替代巴氏合金（jīn）瓦，在油潤滑推（tuī）力軸承上已取得成功經驗。用於水潤滑水導軸承在臥式水（shuǐ）輪機上也有過試（shì）驗，但用於水泵隻在秦淮新河泵站改造中有一台采用，目前還沒有運行經驗。彈性金屬塑料瓦的自（zì）潤滑性功能，在（zài）起機（jī）瞬（shùn）間油（水）膜還沒有形成（chéng）時，是依靠氟塑（sù）料的自潤滑性能過（guò）渡到油（水）膜建立。根據本站1#泵（bèng）金屬瓦進水後機組運行的情況看，巴氏合金軸承損壞主要（yào）是合金剝落後加劇了軸承和泵軸的磨損。水潤滑彈性金（jīn）屬塑料瓦如果（guǒ）不剝落，有清水潤滑應該是可以運行（háng）的。但本站泵軸的線（xiàn）速度小於水潤滑軸承水膜建立（lì）線速度大於9.3m/s的要求，在沒有清水潤滑的情況下，可能會造成軸承（chéng）重載直接摩（mó）擦。彈性金屬（shǔ）塑料瓦在水中的磨擦磨損性能，目前還（hái）沒有研究。其使用壽命也是一（yī）個未知（zhī）數。
賽龍軸承是加拿大賽龍（lóng）軸承公司專門研製生產的由三次（cì）交叉（chā）結晶熱凝性樹脂製（zhì）造的聚（jù）合物，是一種自（zì）恢複性（xìng）和彈性極好（hǎo）的（de）材料，能耐（nài）衝擊，且易加工，耐汙水，耐磨損（sǔn），對泥砂（shā）雜質不敏感。賽龍軸承在立式泵水導軸承（chéng）已有廣泛的應用，但在臥式泵水導軸承（chéng）的應用目前還未（wèi）普及，但在在船舶尾（wěi）軸承、舵軸（zhóu）承有廣泛（fàn）應用，性能優於其他傳統水潤滑軸承。其學（xué）性能穩定，抗老化性強，使用壽命長，磨擦係數小，對軸（zhóu）的磨損小（xiǎo），可延長軸的（de）使用（yòng）壽（shòu）命，降低維護軸的費用。賽龍（lóng）軸承因具有彈性，對泵運行中振動的適應性應該比金屬軸承好，壓力分布更（gèng）均勻。
根據以上比較（jiào），裴家圩泵站擬（nǐ）采用（yòng）賽龍軸（zhóu）承。
4.3.2 水潤滑賽龍（lóng）軸承可（kě）行性（xìng）分析
賽龍水潤滑軸（zhóu）承的動磨擦係數為0.01~0.05，隨線速度的變化而不同。當轉速較低時（shí），由於沒（méi）有（yǒu）形成流體動壓潤滑，摩擦係數較（jiào）大；當轉速達到一定值時，形成流體動力潤滑狀態，摩擦主要為流體內的摩擦，摩擦係數（shù）變小（xiǎo）並穩（wěn）定。賽龍軸承具有（yǒu）良好的自潤滑性，不論是（shì）幹磨擦性能還是濕磨擦性能均（jun1）較好，在無水情況下可以運行（háng）30~90s。賽龍軸承在水中的運行溫度可達60℃（超（chāo）過此溫度，會（huì）發生水解），冷卻水（shuǐ）溫度要求不超過50℃。為保證水泵運行的（de）穩定性（xìng）和軸承使用壽命，裴家圩泵站選用賽龍軸承的COMPAC係列（桔紅（hóng）色（sè））軸承。COMPAC係列軸（zhóu）承，承壓可（kě）達2.4MPa，可製成獨特的水槽構（gòu）型，具有較好的水動力條件，線速度1.4m/s以上即可形成水膜。裴家圩泵站機組啟動時間隻有十多秒，軸（zhóu）承的比壓為1.73kg/cm2，因此賽龍軸承完全能滿足水泵運行和啟動的（de）要求。
裴家圩泵站利用原球形軸瓦外殼，軸承製（zhì）成分半式結構，下部采（cǎi）用圓筒型整體結構，以增加軸承的承載；上半部開縱向水槽，便於軸承的（de）水潤滑和冷卻。
4.4 泵軸軸（zhóu）頸的（de）修複
不論使用哪種（zhǒng）水潤滑軸承，提高軸頸的表麵質量，對改善軸承使用工況，增加軸承的使用壽命，提高軸承使用的可靠性，都是至（zhì）關重要的。裴家（jiā）圩泵站1#泵軸頸（jǐng）已有嚴重的（de）磨損，在軸頸修複時（shí），要考慮提高泵軸表麵（miàn）的硬度和光潔度，確保水導軸承運行時不磨損泵軸。泵軸的（de）修複采用（yòng）在（zài）不鏽鋼上鍍鉻的方法，在軸頸磨損（sǔn）部位電鍍一層鉻（gè）合金，再通過磨光（guāng），保證光潔度和原來尺寸。電鍍的方法比不（bú）鏽鋼堆焊的方法，更容易控製泵軸的尺寸，防止（zhǐ）泵軸（zhóu）發生變形。
5 結束語（yǔ）
裴家圩泵站1#泵改進修複後，機組（zǔ）運（yùn）行正常平穩。水潤滑賽龍軸承的成功應用，為其它（tā）同類型機組的設計和改造提供（gòng）了寶貴的經驗。裴家圩泵站將根據1#泵的經驗陸續對其它4台機組進行改造。
刊於《水泵技術》2007年1期
參考文獻：
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