裴家圩泵站1#機組貫流泵水密封及導軸承故障修復改造
2013-01-09
摘 要：本文介紹了蘇州裴家圩泵站臥式貫流泵機組運行及故障發生的情況，分析了水密封及導軸承密封結構的缺陷，是水泵故障的主要原因。結合故障修復，對水密封及導軸承的結構型式進行了改進，經過分析比較，選用水潤滑賽龍軸承。
關鍵詞：臥式泵；水密封；導軸承；賽龍
蘇州裴家圩泵站裝有5臺1900ZWS-1臥式豎井雙向全調節貫流泵。
1 水泵水密封和水導軸承結構
水泵主軸密封位于導軸承后側，采用水壓活塞式密封和填料雙道密封結構。水壓活塞式密封由封水環、水封外環、橡膠活塞密封環等組成，在水封腔內通以壓力為0.1MPa的清水，當密封水接通過后，水壓使活塞密封面與泵軸不銹鋼凸臺表面接觸，起到封水作用。停機時采用填料密封，機組運行時需不間斷供給壓力水，少量的泄漏水從進水錐管下側導葉內的排水管排出，整個進水錐是密封無水的。導軸承安裝在輪轂體內，為分半式巴氏合金滑動軸承，稀油自潤滑循環，用兩道骨架油封密封，潤滑油從上部油杯加入。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生
機組于2003年底安裝完畢，安裝時水導軸承的密封在靜態下用煤油做泄漏試驗，無泄漏現象。1#泵在安裝結束后檢查時發現水導軸承的測溫電阻開路，由于河道已放水，未能進行處理。2004年6月下旬，機組投入運行，水泵的導軸承平均4～6h需加油（32#透平油）一次，每次每臺約8kg左右。9月1日后，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時高5~8℃，平均加油間隔時間為8h，每臺每次加潤滑脂5~7kg不等。
經過幾天的運行，從加油的次數和加油量上看，用潤滑脂代替稀油潤滑，潤滑油的泄漏并無明顯減少。當水導溫度上升到48℃~50℃時，上升特別快。由于1#泵水導無溫度顯示，從安全考慮，9月6日后1#泵重新使用32#透平油，并縮短加油間隔，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臺水泵要大。至10月下旬，由于氣溫下降，其它機組根據軸承溫度變化情況，加油間隔時間逐漸變長，為12~20h不等，加油量同前。1#泵水導加油量逐漸減少，只加1~2kg油杯就滿，但機組運行并未見異常。2004年12月19日，運行人員發現1#水泵推力軸承座軸頸和水泵導葉上部的供水管處向外噴水，于是緊急停機。1#機組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封檔，另一道密封圈斷開，水壓密封已失效；水壓密封座的導向銷斷裂。軸承下部整個表面巴氏合金層嚴重磨損、脫落，脫落的合金屑已結塊，結塊的厚度約2~4mm。泵軸表面有嚴重的磨損拉溝。由于泵軸下沉，軸承兩端壓環將泵軸磨了兩道溝。
3 故障原因及結構缺陷分析
根據機組打開的情況，故障的直接原因是活塞密封環O形密封圈破壞，造成水的泄漏，排水管來不及排出，導軸承內進水，導軸瓦在沒有潤滑油的情況下運轉，導致主軸磨損、導軸承損壞。
裴家圩泵站設計年運行時間為3~4個月，長時間停機時，由于水體含有泥沙，密封活塞封水環表面和密封圈會固結淤泥及雜質，運行時O形密封圈易損壞，密封結構不適合裴家圩泵站的運行工況。從打開的情況看，不銹鋼凸臺表面已有磨損現象，活塞腔內也有固結淤泥。由于密封不好，密封用的壓力水反而會造成水的泄漏。水密封的破壞，同時導致油密封的失效。
水導自潤滑循環軸承靠兩道骨架油封，密封的可靠性較差。在水泵運行時，由于泵軸的振動，外側密封圈易磨損，潤滑油的泄漏，造成水質的污染，增加運行成本。按照設計年運行時間，裴家圩泵站一年會有8~10T油流入河中。填料密封位于進水錐管內，在運行一段時間磨損后，需要排空流道內積水，進入到泵內部才可檢修。鉑熱電阻的壽命不長，一旦軸承失去溫度監視，軸承箱內是油是水無法判定，安全運行不能保證。
根據以上分析，如果在原來的基礎上進行簡單的修復，不能從根本上解決問題。必須對水密封的結構型式和導軸承的結構型式進行改進。
4 修復方案的選擇
4.1 水密封結構型式的選擇
臥式泵的主軸水密封，一種是位于導軸承與葉輪之間，采用活塞密封與填料雙重密封，密封的導水錐管內是無水的，導軸承油密封外側與空氣接觸，即干式結構；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。根據上面的分析，由于本站的運行特點，采用干式結構密封的可靠性不能滿足要求，因此修復時考慮采用濕式結構。即取消原活塞密封機構及加水管，填料密封機構移到原推力軸承位置，推力軸承向電機側平移。推力軸承座與填料函之間通過集水盤聯接，集水盤的鋼度和強度要滿足推力軸承的負荷要求，保證推力軸承的穩定性。填料密封由流道內移至流道外，方便了填料的壓緊和更換。
4.2 導軸承型式的選擇
目前國內水泵導軸承主要有油潤滑金屬軸承和水潤滑非金屬軸承。金屬滑動導軸承一般采用巴氏合金材料，有脂潤滑和稀油潤滑兩種潤滑方式。滾動軸承多見應用于燈泡貫流式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，軸線速度要求大于5.3m/s，而本站水泵轉速為155r/min，泵軸直徑200mm，泵軸的線速度只有1.62m/s，且長期停機后油脂會老化、干結。采用稀油潤滑，不論是金屬滑動軸承和滾動軸承，均需增加稀油潤滑站或重力油箱，原有的密封結構需要更換改進。
由于本站是改進修復，為了減少水泵及外部結構大的改動，便于運行維修管理，與水密封的改進相對應，導軸承考慮采用水潤滑非金屬軸承。它不需要復雜的潤滑冷卻系統，不會引起水質的污染。
4.3 水潤滑導軸承材料的選擇
4.3.1 水潤滑非金屬軸承比較
在水泵上應用的水潤滑非金屬軸承有橡膠軸承、P23軸承、F102軸承、彈性金屬塑料軸承和賽龍軸承。橡膠軸承主要用于立式泵，臥式泵僅有秦淮新河泵站采用過，是過去材料技術較落后的情況下使用的，其承載能力和耐磨性較差。P23軸承（一種酚醛塑料軸承）在一些排澇泵站使用過，其運行的穩定性不高，累計運行2000多小時，泵軸與軸承接觸面已有拉毛痕跡。酚醛塑料脆性較大,一旦有碎屑脫落,會磨損并拉毛大軸。
F102軸承是混合纖維增強樹脂的混雜纖維自潤滑復合材料，其中填加適量的固體潤滑劑和抗磨劑等，具有良好的摩擦磨損特性，可在干摩擦下或油、水、乳化液等潤滑劑中工作。目前國內使用的泵站也不多，僅鹽官、張家塘及新東臺抽水站等使用，實際運行時間均較短，在大型臥式泵上的應用還不能說有成功的經驗。預期的5000h軸承壽命還不能滿足要求。
彈性金屬塑料瓦用于替代巴氏合金瓦，在油潤滑推力軸承上已取得成功經驗。用于水潤滑水導軸承在臥式水輪機上也有過試驗，但用于水泵只在秦淮新河泵站改造中有一臺采用，目前還沒有運行經驗。彈性金屬塑料瓦的自潤滑性功能，在起機瞬間油（水）膜還沒有形成時，是依靠氟塑料的自潤滑性能過渡到油（水）膜建立。根據本站1#泵金屬瓦進水后機組運行的情況看，巴氏合金軸承損壞主要是合金剝落后加劇了軸承和泵軸的磨損。水潤滑彈性金屬塑料瓦如果不剝落，有清水潤滑應該是可以運行的。但本站泵軸的線速度小于水潤滑軸承水膜建立線速度大于9.3m/s的要求，在沒有清水潤滑的情況下，可能會造成軸承重載直接摩擦。彈性金屬塑料瓦在水中的磨擦磨損性能，目前還沒有研究。其使用壽命也是一個未知數。
賽龍軸承是加拿大賽龍軸承公司專門研制生產的由三次交叉結晶熱凝性樹脂制造的聚合物，是一種自恢復性和彈性極好的材料，能耐沖擊，且易加工，耐污水，耐磨損，對泥砂雜質不敏感。賽龍軸承在立式泵水導軸承已有廣泛的應用，但在臥式泵水導軸承的應用目前還未普及，但在在船舶尾軸承、舵軸承有廣泛應用，性能優于其他傳統水潤滑軸承。其學性能穩定，抗老化性強，使用壽命長，磨擦系數小，對軸的磨損小，可延長軸的使用壽命，降低維護軸的費用。賽龍軸承因具有彈性，對泵運行中振動的適應性應該比金屬軸承好，壓力分布更均勻。
根據以上比較，裴家圩泵站擬采用賽龍軸承。
4.3.2 水潤滑賽龍軸承可行性分析
賽龍水潤滑軸承的動磨擦系數為0.01~0.05，隨線速度的變化而不同。當轉速較低時，由于沒有形成流體動壓潤滑，摩擦系數較大；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，摩擦系數變小并穩定。賽龍軸承具有良好的自潤滑性，不論是干磨擦性能還是濕磨擦性能均較好，在無水情況下可以運行30~90s。賽龍軸承在水中的運行溫度可達60℃（超過此溫度，會發生水解），冷卻水溫度要求不超過50℃。為保證水泵運行的穩定性和軸承使用壽命，裴家圩泵站選用賽龍軸承的COMPAC系列（桔紅色）軸承。COMPAC系列軸承，承壓可達2.4MPa，可制成獨特的水槽構型，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只有十多秒，軸承的比壓為1.73kg/cm2，因此賽龍軸承完全能滿足水泵運行和啟動的要求。
裴家圩泵站利用原球形軸瓦外殼，軸承制成分半式結構，下部采用圓筒型整體結構，以增加軸承的承載；上半部開縱向水槽，便于軸承的水潤滑和冷卻。
4.4 泵軸軸頸的修復
不論使用哪種水潤滑軸承，提高軸頸的表面質量，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，都是至關重要的。裴家圩泵站1#泵軸頸已有嚴重的磨損，在軸頸修復時，要考慮提高泵軸表面的硬度和光潔度，確保水導軸承運行時不磨損泵軸。泵軸的修復采用在不銹鋼上鍍鉻的方法，在軸頸磨損部位電鍍一層鉻合金，再通過磨光，保證光潔度和原來尺寸。電鍍的方法比不銹鋼堆焊的方法，更容易控制泵軸的尺寸，防止泵軸發生變形。
5 結束語
裴家圩泵站1#泵改進修復后，機組運行正常平穩。水潤滑賽龍軸承的成功應用，為其它同類型機組的設計和改造提供了寶貴的經驗。裴家圩泵站將根據1#泵的經驗陸續對其它4臺機組進行改造。
刊于《水泵技術》2007年1期
參考文獻：
1.高盤林.南水北調與斜式軸流泵 中國流體機械學會,2002年論文集
2.楊樹雄. 大型臥式軸流泵水導軸承的研究 排灌機械第21卷第1期
3.楊洪群等.泵站機組水導軸承的研究 排灌機械第22卷第3期
