軸流污水泵失效分析及改造對策
2020-01-19李云先
（中石化股份有限公司齊魯分公司供排水廠）
某給排水廠裝置在投運中因發生嚴重軸系振動故障而停車維護。通過對軸封失效原因的分析，并對軸流污水泵進行泵體解體檢查，發現了主要原因為軸承損壞，導致軸封失效和軸流污水泵故障。從密封原理和密封材料方面著手，對密封室進行了局部改造，徹底解決了污水泵故障問題，保證了生產的穩定長周期運行。（中石化股份有限公司齊魯分公司供排水廠）
某公司供排水廠乙烯污水處理采用兩臺350WLC-600型立式軸流污水泵（Q=6000m3/h、H=7m、N=21kW、n=970r/min）(以下簡稱污水泵)，將池中的工業污水進行提升后，輸送到污水處理裝置。水泵24小時連續工作，所輸送的介質為工業混合廢水，含有一定量泥沙和雜質，pH值在5-9之間。該立式軸流泵具體結構如圖1所示。
軸承室內裝有2只7310BDB向心推力角接觸球軸承和1只6310深溝球軸承，其余3個徑向支撐采用整體式錫青銅滑動軸承，用內護管將其污水隔開。整個軸系靠軸承室的2只角接觸球軸承軸向定位并承擔不平衡軸向力，其余軸承只承受徑向負荷。內護管有4節，下護管的下端與軸承室采用螺紋連接，螺紋管下端與軸承外圈壓緊，以保證軸向定位。
軸承采用脂潤滑，軸承壓蓋裝有1只旋轉式唇形油封，防止外部灰塵、水分等進入潤滑系統;軸承下部也裝有1只旋轉式唇形油封，用來防止潤滑脂的流失。內護管內充滿潤滑油，注油管上有油位指示，觀察潤滑油是否流失或被污染。在泵體下部的填料函內裝有7件串聯布置的旋轉軸唇形密封，防止潤滑油外漏及污水竄入內護管。
1.存在問題
污水泵自投用以來，因故障頻發導致多次非計劃停車，先是發現儲油管進水，運行15-30天就會發生嚴重軸系振動，并伴隨著很大的噪音。拆機時發現，軸承室的潤滑油中含有部分污水和泥沙，滾珠和軸瓦損壞嚴重。7組唇形密封均出現不同程度的變形，與其配合的相應軸頸部分也出現輕微磨損痕跡。雖經多次維護并更換零件，均未能解決問題，被迫進行改造。
2.原因分析
從污水泵軸封結構來看，軸封是由串聯的7件帶副唇的旋轉軸唇形密封和橡膠O形環兩部分組成[1]。旋轉軸唇形密封起到主要的軸向密封作用，防止污水通過軸向間隙進入軸承室；O形環起到輔助的徑向和軸向密封作用，阻礙主軸與填料之間的介質流通。根據檢修發現的問題來分析，軸封失效和軸承損壞是引起污水泵發生故障的主要原因[2]。
通常引起本類軸封失效的原因大致如下：1）軸徑向跳動，造成唇口追隨不良[3]；2）唇口冷卻潤滑不良，接觸面因摩擦導致密封元件溫度過高，而使橡膠材料變軟，彈性下降，喪失密封性能[4]；3）填料套與唇口過度磨損；4）所處理的介質壓力過高，使唇形密封出現過大的柔性變形；5）介質存在固體顆粒造成唇口過快磨損，導致密封失效[5]。
檢修時對各相關部件檢測結果表明:主軸運轉平穩，不存在偏心運轉;唇口潤滑良好，未出現過熱，這些因素尚不至于影響污水泵的正常運行。各組唇形密封環唇口出現不同程度的磨損且密封環很容易產生變形，由此可以斷定：軸封失效是導致軸承損壞和污水泵故障的關鍵。
隨著運行時間的延續，這種趨勢不斷增大，致使密封逐級失效，Z后導致整個軸封全部失效[10]，使得大量的污水夾帶泥沙等顆粒進入密封唇口的接觸面，加劇了接觸面的磨損。因軸封失效，污水夾帶泥沙穿過密封進入內護管內而與潤滑油混合，混有污水的潤滑油進入到軸承室，惡化了軸承的工作狀態。軸承在含有污水和泥沙潤滑油情況下高速旋轉，很快損壞。
3.改造對策
從以上分析可知，350WLC型立式污水泵的失效，是因軸封失效而引起，解決問題的關鍵是采用適合的軸封結構，阻止污水進入軸承室，保證軸承的正常運轉，從而保證污水泵的安穩運行[11]。
單從解決350WLC型立式污水泵的軸封泄漏看，改為機械密封可以達到要求。但考慮到密封浸在污水中，而污水中含有大量泥沙等雜質，很難對機械密封進行沖洗，易造成損壞，而且機械密封費用較高。原填料函結構尺寸較小，改造難度大，也難以實現。
通過分析，從本污水泵的實際情況出發，本著經濟、實用、可靠的原則決定對密封室進行局部結構改造，解決泄漏問題。
3.1改造方案
改造唇形密封結構，縮短填料套尺寸，騰出空間下設動力密封結構。將原設置于填料套上端用于軸向密封的O形橡膠環移至填料套下端。改造前、后的密封室結構見圖2、圖3。由改造前的一段7只唇形密封改造成為動力密封加3只唇形密封的組合式兩段密封。
改造后的動力密封環開有三道環形迷宮槽，下端開有V型槽。在離心力作用下，旋轉的污水在密封環下部和填料函內壁的環形區域形成高壓區，部分地阻止了污水流向密封腔，并將污水中的泥沙等顆粒物有效地甩出密封腔。加壓污水流經動力密封環與填料函的間隙，起始是以較高的靜壓能進入，在間隙中轉變為動能后進行流動，到達環形迷宮槽的空間時再次轉變為靜壓能，在流動和能量的轉變過程中消耗了部分能量，使再次轉變的靜壓能小于起始值。多次流動和轉變后，能量降低到一定值，介質失去了外泄的能量達到密封。歡迎關注泵友圈微信公眾號。上部的3只唇形密封環也起到了輔助密封作用，這樣就從根本上改變了密封狀態[12]。O型橡膠密封環能阻斷介質從動力密封環到主軸間隙的泄漏，將其設置在填料套下端也避免了雜質在間隙中集結，保證了正常運轉。
3.3密封件材料選擇
改造后上端唇形密封結構件的材料不變，僅對填料套外表面鍍硬質鋸以提高其耐磨性。動力密封環采用18-8不銹鋼，在下部填料函內部襯4mm的PVC襯套，用螺釘固定在填料函上。動力密封環與PVC襯套的間隙控制在0.1-0.15mm之間。高速旋轉的動力密封環帶動流體沖刷襯套內壁，帶走了摩擦所產生的熱，保證了PVC襯套的使用性能。
4.改造前、后運轉狀況對比
原污水泵在投用后大約24小時，從儲油管的示油器發現油位出現波動，表明有污水進入儲油管，隨著運轉時間的增長，這種現象越來越嚴重。運行10天左右，開始出現不規則的噪音和震動，且逐漸加大。一般在工作三周后，噪音和震動明顯加大，難以維持正常運行。雖經多次維修并更換軸承和唇形橡膠環，但一直沒能解決問題，且