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裴家圩泵站1#机组贯流泵水密封及导轴承故障修复改造

发布时间：2013-01-09 浏览次数：548

　　摘　要：本文介绍了苏州裴家圩泵站卧式贯流泵机组运行及故障发生的情况，分析了水密封及导轴承密封结构的缺陷，是水泵故障的主要原因。结合故障修复，对水密封及导轴承的结构型式进行了改进，经过分析比较，选用水润滑赛龙轴承。
　　关键词：卧式泵；水密封；导轴承；赛龙
　　苏州裴家圩泵站装有5台1900ZWS-1卧式竖井双向全调节贯流泵。
　　1　水泵水密封和水导轴承结构
　　水泵主轴密封位于导轴承后侧，采用水压活塞式密封和填料双道密封结构。水压活塞式密封由封水环、水封外环、橡胶活塞密封环等组成，在水封腔内通以压力为0.1MPa的清水，当密封水接通过后，水压使活塞密封面与泵轴不锈钢凸台表面接触，起到封水作用。停机时采用填料密封，机组运行时需不间断供给压力水，少量的泄漏水从进水锥管下侧导叶内的排水管排出，整个进水锥是密封无水的。导轴承安装在轮毂体内，为分半式巴氏合金滑动轴承，稀油自润滑循环，用两道骨架油封密封，润滑油从上部油杯加入。轴瓦上设一铂热电阻测温元件，用以监视轴承温度。
　　2　机组运行情况及故障的发生
　　机组于2003年底安装完毕，安装时水导轴承的密封在静态下用煤油做泄漏试验，无泄漏现象。1#泵在安装结束后检查时发现水导轴承的测温电阻开路，由于河道已放水，未能进行处理。2004年6月下旬，机组投入运行，水泵的导轴承平均4～6h需加油（32#透平油）一次，每次每台约8kg左右。9月1日后，根据水泵厂的意见，改加00#锂基润滑脂，轴承温度相比加稀油时高5~8℃，平均加油间隔时间为8h，每台每次加润滑脂5~7kg不等。
　　经过几天的运行，从加油的次数和加油量上看，用润滑脂代替稀油润滑，润滑油的泄漏并无明显减少。当水导温度上升到48℃~50℃时，上升特别快。由于1#泵水导无温度显示，从安全考虑，9月6日后1#泵重新使用32#透平油，并缩短加油间隔，每次都将轴承油箱加满。运行中发现1#水泵的排水管漏水量比另外4台水泵要大。至10月下旬，由于气温下降，其它机组根据轴承温度变化情况，加油间隔时间逐渐变长，为12~20h不等，加油量同前。1#泵水导加油量逐渐减少，只加1~2kg油杯就满，但机组运行并未见异常。2004年12月19日，运行人员发现1#水泵推力轴承座轴颈和水泵导叶上部的供水管处向外喷水，于是紧急停机。1#机组从试运行到故障发生，共运行1300小时。
　　将1#泵打开检查，发现橡胶活塞密封环的一道密封圈已经脱离密封档，另一道密封圈断开，水压密封已失效；水压密封座的导向销断裂。轴承下部整个表面巴氏合金层严重磨损、脱落，脱落的合金屑已结块，结块的厚度约2~4mm。泵轴表面有严重的磨损拉沟。由于泵轴下沉，轴承两端压环将泵轴磨了两道沟。
　　3　故障原因及结构缺陷分析
　　根据机组打开的情况，故障的直接原因是活塞密封环O形密封圈破坏，造成水的泄漏，排水管来不及排出，导轴承内进水，导轴瓦在没有润滑油的情况下运转，导致主轴磨损、导轴承损坏。
　　裴家圩泵站设计年运行时间为3~4个月，长时间停机时，由于水体含有泥沙，密封活塞封水环表面和密封圈会固结淤泥及杂质，运行时O形密封圈易损坏，密封结构不适合裴家圩泵站的运行工况。从打开的情况看，不锈钢凸台表面已有磨损现象，活塞腔内也有固结淤泥。由于密封不好，密封用的压力水反而会造成水的泄漏。水密封的破坏，同时导致油密封的失效。
　　水导自润滑循环轴承靠两道骨架油封，密封的可靠性较差。在水泵运行时，由于泵轴的振动，外侧密封圈易磨损，润滑油的泄漏，造成水质的污染，增加运行成本。按照设计年运行时间，裴家圩泵站一年会有8~10T油流入河中。填料密封位于进水锥管内，在运行一段时间磨损后，需要排空流道内积水，进入到泵内部才可检修。铂热电阻的寿命不长，一旦轴承失去温度监视，轴承箱内是油是水无法判定，安全运行不能保证。
根据以上分析，如果在原来的基础上进行简单的修复，不能从根本上解决问题。必须对水密封的结构型式和导轴承的结构型式进行改进。
　　4　修复方案的选择
　　4.1 水密封结构型式的选择
　　卧式泵的主轴水密封，一种是位于导轴承与叶轮之间，采用活塞密封与填料双重密封，密封的导水锥管内是无水的，导轴承油密封外侧与空气接触，即干式结构；另一种是靠近推力轴承一侧，采用填料密封，导轴承油密封外侧与水接触，为湿式结构。根据上面的分析，由于本站的运行特点，采用干式结构密封的可靠性不能满足要求，因此修复时考虑采用湿式结构。即取消原活塞密封机构及加水管，填料密封机构移到原推力轴承位置，推力轴承向电机侧平移。推力轴承座与填料函之间通过集水盘联接，集水盘的钢度和强度要满足推力轴承的负荷要求，保证推力轴承的稳定性。填料密封由流道内移至流道外，方便了填料的压紧和更换。
　　4.2 导轴承型式的选择
　　目前国内水泵导轴承主要有油润滑金属轴承和水润滑非金属轴承。金属滑动导轴承一般采用巴氏合金材料，有脂润滑和稀油润滑两种润滑方式。滚动轴承多见应用于灯泡贯流式的贯流泵机组和卧式潜水泵机组，一般均用稀油润滑，更换时拆装工作量大，维修困难。根据本站的特点和运行情况，采用脂润滑是不合适的，脂润滑轴承与轴间建立油膜，轴线速度要求大于5.3m/s，而本站水泵转速为155r/min，泵轴直径200mm，泵轴的线速度只有1.62m/s，且长期停机后油脂会老化、干结。采用稀油润滑，不论是金属滑动轴承和滚动轴承，均需增加稀油润滑站或重力油箱，原有的密封结构需要更换改进。　
　　由于本站是改进修复，为了减少水泵及外部结构大的改动，便于运行维修管理，与水密封的改进相对应，导轴承考虑采用水润滑非金属轴承。它不需要复杂的润滑冷却系统，不会引起水质的污染。
　　4.3 水润滑导轴承材料的选择
　　4.3.1 水润滑非金属轴承比较
　　在水泵上应用的水润滑非金属轴承有橡胶轴承、P23轴承、F102轴承、弹性金属塑料轴承和赛龙轴承。橡胶轴承主要用于立式泵，卧式泵仅有秦淮新河泵站采用过，是过去材料技术较落后的情况下使用的，其承载能力和耐磨性较差。P23轴承（一种酚醛塑料轴承）在一些排涝泵站使用过，其运行的稳定性不高，累计运行2000多小时，泵轴与轴承接触面已有拉毛痕迹。酚醛塑料脆性较大,一旦有碎屑脱落,会磨损并拉毛大轴。　　
　　F102轴承是混合纤维增强树脂的混杂纤维自润滑复合材料，其中填加适量的固体润滑剂和抗磨剂等，具有良好的摩擦磨损特性，可在干摩擦下或油、水、乳化液等润滑剂中工作。目前国内使用的泵站也不多，仅盐官、张家塘及新东台抽水站等使用，实际运行时间均较短，在大型卧式泵上的应用还不能说有成功的经验。预期的5000h轴承寿命还不能满足要求。
　　弹性金属塑料瓦用于替代巴氏合金瓦，在油润滑推力轴承上已取得成功经验。用于水润滑水导轴承在卧式水轮机上也有过试验，但用于水泵只在秦淮新河泵站改造中有一台采用，目前还没有运行经验。弹性金属塑料瓦的自润滑性功能，在起机瞬间油（水）膜还没有形成时，是依靠氟塑料的自润滑性能过渡到油（水）膜建立。根据本站1#泵金属瓦进水后机组运行的情况看，巴氏合金轴承损坏主要是合金剥落后加剧了轴承和泵轴的磨损。水润滑弹性金属塑料瓦如果不剥落，有清水润滑应该是可以运行的。但本站泵轴的线速度小于水润滑轴承水膜建立线速度大于9.3m/s的要求，在没有清水润滑的情况下，可能会造成轴承重载直接摩擦。弹性金属塑料瓦在水中的磨擦磨损性能，目前还没有研究。其使用寿命也是一个未知数。
　　赛龙轴承是加拿大赛龙轴承公司专门研制生产的由三次交叉结晶热凝性树脂制造的聚合物，是一种自恢复性和弹性极好的材料，能耐冲击，且易加工，耐污水，耐磨损，对泥砂杂质不敏感。赛龙轴承在立式泵水导轴承已有广泛的应用，但在卧式泵水导轴承的应用目前还未普及，但在在船舶尾轴承、舵轴承有广泛应用，性能优于其他传统水润滑轴承。其学性能稳定，抗老化性强，使用寿命长，磨擦系数小，对轴的磨损小，可延长轴的使用寿命，降低维护轴的费用。赛龙轴承因具有弹性，对泵运行中振动的适应性应该比金属轴承好，压力分布更均匀。
　　根据以上比较，裴家圩泵站拟采用赛龙轴承。
　　4.3.2 水润滑赛龙轴承可行性分析
　　赛龙水润滑轴承的动磨擦系数为0.01~0.05，随线速度的变化而不同。当转速较低时，由于没有形成流体动压润滑，摩擦系数较大；当转速达到一定值时，形成流体动力润滑状态，摩擦主要为流体内的摩擦，摩擦系数变小并稳定。赛龙轴承具有良好的自润滑性，不论是干磨擦性能还是湿磨擦性能均较好，在无水情况下可以运行30~90s。赛龙轴承在水中的运行温度可达60℃（超过此温度，会发生水解），冷却水温度要求不超过50℃。为保证水泵运行的稳定性和轴承使用寿命，裴家圩泵站选用赛龙轴承的COMPAC系列（桔红色）轴承。COMPAC系列轴承，承压可达2.4MPa，可制成独特的水槽构型，具有较好的水动力条件，线速度1.4m/s以上即可形成水膜。裴家圩泵站机组启动时间只有十多秒，轴承的比压为1.73kg/cm²，因此赛龙轴承完全能满足水泵运行和启动的要求。
　　裴家圩泵站利用原球形轴瓦外壳，轴承制成分半式结构，下部采用圆筒型整体结构，以增加轴承的承载；上半部开纵向水槽，便于轴承的水润滑和冷却。
　　4.4 泵轴轴颈的修复
　　不论使用哪种水润滑轴承，提高轴颈的表面质量，对改善轴承使用工况，增加轴承的使用寿命，提高轴承使用的可靠性，都是至关重要的。裴家圩泵站1#泵轴颈已有严重的磨损，在轴颈修复时，要考虑提高泵轴表面的硬度和光洁度，确保水导轴承运行时不磨损泵轴。泵轴的修复采用在不锈钢上镀铬的方法，在轴颈磨损部位电镀一层铬合金，再通过磨光，保证光洁度和原来尺寸。电镀的方法比不锈钢堆焊的方法，更容易控制泵轴的尺寸，防止泵轴发生变形。
　　5　结束语
　　裴家圩泵站1#泵改进修复后，机组运行正常平稳。水润滑赛龙轴承的成功应用，为其它同类型机组的设计和改造提供了宝贵的经验。裴家圩泵站将根据1#泵的经验陆续对其它4台机组进行改造。
　　刊于《水泵技术》2007年1期
　　参考文献：
　　1.高盘林.南水北调与斜式轴流泵中国流体机械学会,2002年论文集
　　2.杨树雄. 大型卧式轴流泵水导轴承的研究排灌机械第21卷第1期
　　3.杨洪群等.泵站机组水导轴承的研究排灌机械第22卷第3期