抽真空泵断轴原因分析及解决措施

1 抽真空系统简介

中国石油兰州石化公司某装置有抽真空机泵8台，其中精馏系统真空泵4台(A/B/C/D)，蒸发系统真空泵4台(A/B/C/D)，均为单级离心泵。

该8台抽真空泵是装置六套减压精馏塔及四套减压蒸发系统的真空来源 (见图1)。若抽真空机泵出现故障，会造成减压精馏系统及减压蒸发系统真空度降低，影响精馏塔的产品进料组分，对装置运行有很大影响。另外，真空度降低也会造成塔内物料及挥发性气体泄漏，危害环境及周围设备设施[1]。因此，该8台真空机泵的运行状况对装置的安全稳定及环保运行有重要影响。

图1 流程简图

2 运行异常情况及故障分析

2.1 运行异常情况

通过查阅该装置机泵检修作业票证，发现该类型抽真空机泵在运行一段时间均出现故障，检修频繁，影响了装置的正常生产。通过数据分析，对2019年该类型泵的部分检修情况做了统计(见表1)。

表1 抽真空泵检修记录

序列检修时间抽真空泵检修记录12019年3月11日真空B泵高泵轴断裂22019年4月5日蒸发系统真空A泵机封磨损,泄漏量大32019年4月23日真空A泵轴断裂42019年5月15日蒸发系统真空C泵轴断裂52019年5月25日蒸发系统真空B泵轴断裂62019年6月6日真空D泵轴断裂72019年6月22日蒸发系统真空D泵机封磨损,泄漏量大82019年6月29日真空C泵机封磨损,泄漏量大

2.2 设备故障分析

2.2.1 泵轴受力计算

该系统机泵流量Q=200m3/h，扬程H=50m，转速n=1500rpm，电机功率P=50kW。

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泵轴、键材质为0Cr18Ni9，屈服强度206MPa。泵键槽深度t=5mm，键高h=10mm，键长l=32mm，键宽b=12mm，转速n=1500rpm，最小轴径d=50mm(空心)。

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泵轴受力计算如下：

泵轴受的转矩

=331.8N·m

扭转断面系数

假设：自甩负荷开始，低加及管道中的水容量 Mw的减少正比于凝结水焓差的减少，且其比值保持不变，等于甩负荷开始时的比值，即其中 iL为低压加热器进入除氧器开始时的凝结水温。因此，甩负荷后τ时间的 i可由下式计算：

最大剪切应力

四年之后，也就是2000年年底，学区王书记又一次找到我谈起工作调动的事情，我意识到自己又将迎来一次新的机遇与挑战。

=13.75MPa

键槽、键挤压应力

=82.95MPa

2.2.2 原因分析

从图2发现，泵轴断裂发生在叶轮轮毂与泵轴配合部分的中部附近。从现场分析可看出，泵轴断面大部分光滑且与轴中心线垂直，只有一小部分成剪切破坏，是典型的疲劳破坏特征。因此，判断该泵轴为疲劳断裂。从现场还发现，发生轴断裂的转子部件均具有叶轮口环处单边磨损严重、密封环和机械密封损坏的现象。

图2 泵轴断裂情况

分析造成泵轴断裂的影响因素及原因如下：

1)正常情况下，泵轴主要承受转矩，但由于叶轮和泵轴自重的影响以及叶轮因不平衡产生的离心力影响，泵轴还要承受一定的弯矩，力矩和弯矩合成后，泵轴强度的最薄弱处在泵轴与联轴器的配合部位[2]。

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2)泵轴断面应力分析。由于叶轮不平衡，加上泵轴和叶轮自重的影响，泵轴在运行状态下承受一个交变作用弯矩。在此交变弯矩的作用下，泵轴上交变弯矩最大或者轴的抗疲劳强度最弱处，就有可能产生疲劳破坏。

3)疲劳断口分析。疲劳断口的主要特点是疲劳源、有点源、线源等。疲劳扩展区是疲劳断口的主体部分。不同的起源、受力情况，会形成不同的形貌，据此能够推断轴的受力过程。由泵轴受力分析及强度计算并结合图2，判断该类型泵轴频繁断裂主要原为泵轴疲劳，引发其他泵部件故障，最终导致出现断轴、磨损等异常状况[3]。

4)从叶轮口环处有偏磨现象、密封环磨损严重和机械密封经常损坏可以断定，这是由于泵轴在运行中产生的弯曲造成的。

3 改进措施及效果

通过以上原因分析，对该类型真空泵的轴承改进提出了以下措施：

从造模成功的大数中选取雌鼠、雄鼠各24只，每组包括雌鼠、雄鼠各4只。造模成功24 h后向大鼠腹腔注射20%乌来糖注射液进行麻醉，剂量为1 ml/100 g。使用无菌注射器在大鼠腹主动脉末端采集5 mL血液标本，在4℃以下条件下进行离心，转速为3000 r/min，时间为10 min，之后取上清液，在-80℃条件下进行保存。

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1)结构布局及结构布局引起的应力集中对抗疲劳性能影响最大。因此，优化了疲劳设计，将键槽底部尖角变为圆角，从而应对危险部位的应力集中[4]。

2)改进了叶轮的固定方式与压力平衡方式，降低叶轮的不平衡量。同时对磨损严重的叶轮及时修复或更换。

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3)改进叶轮固定连接方式，取消轴颈螺纹孔；将空心轴改为实心轴，增加轴颈截面积，提高泵轴的抗扭曲强度。

4)叶轮加工时，轮毂孔和两端端面采用膨胀心轴两端一次车削或者磨削完成加工，保证孔的两端面的跳动量满足设计要求[5]。

通过优化抗疲劳设计、降低叶轮的不平衡量及改进叶轮固定连接方式、将空心轴改为实心轴、提高泵轴抗扭曲强度等措施，提高了抽真空系统泵轴的强度及运行稳定性。自2019年8月改造至今，抽真空系统机泵运行稳定，未出现任何故障(见表2)

表2 改进后泵运行情况

序号时间运行情况12019年8月平均出口压力0.51MPa22019年9月平均出口压力0.48MPa32019年10月平均出口压力0.50MPa42019年11月平均出口压力0.52MPa52019年12月平均出口压力0.51MPa

续表

序号时间运行情况62020年1月平均出口压力0.48MPa72020年2月平均出口压力0.50MPa82020年3月平均出口压力0.48MPa92020年4月平均出口压力0.51MPa102020年5月平均出口压力0.50MPa

4 结束语

通过对中国石油兰州石化公司某装置8台抽真空系统泵频繁断轴故障的分析及力学计算，最终确定了造成断轴的主要原因，提出了优化疲劳设计、降低叶轮的不平衡量及改进叶轮固定连接方式等改造措施，整机安装运行近一年时间再未发生断轴，消除了断轴现象，彻底解决了该类型机泵频繁故障问题，稳定了装置生产，并且降低了泵的振动与噪声。