文| 范學(xué)民，沈陽格瑞德泵業(yè)有限公司
摘要: 除鱗泵是鋼廠除鱗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，除鱗泵能否長期、安全的運行成為影響鋼鐵表面質(zhì)量和鋼材產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。本文通過鞍鋼除鱗泵在運行中出現(xiàn)的問題，主要從軸承體和托架部件、筒體部件、泵軸幾方面進行分析，提出幾點改進設(shè)計的建議。
關(guān)鍵詞：除鱗泵 振動 強度 斷軸
1. 前言
鞍鋼除鱗泵為國產(chǎn)高壓多級雙殼體離心泵。該泵主要存在振動過大、性能突然下降、斷軸等問題。該泵的水力設(shè)計和泵的精心安裝、操作與維護以及現(xiàn)場可能的安全規(guī)則不在本文的討論范圍。本文根據(jù)現(xiàn)場發(fā)生的問題，僅從泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行討論分析，提出幾點改進設(shè)計建議。
除鱗泵流量約為300m3/h～400m3/h，揚程約為2500m，間隙除鱗(變頻)。由于該泵存在揚程高，轉(zhuǎn)數(shù)頻繁變化，介質(zhì)含固體顆粒等惡劣的使用工況，又因為除鱗泵是鋼廠除鱗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，所以該泵在設(shè)計時應(yīng)該把克服惡劣的使用工況，保證泵安全穩(wěn)定的運行放在首位。
2. 原泵結(jié)構(gòu)
鞍鋼中厚板原用除鱗泵為國內(nèi)某知名水泵廠的產(chǎn)品。如附圖1所示，該泵主要由轉(zhuǎn)子部件、吸入渦室、筒體部件、中段、導(dǎo)葉、平衡機構(gòu)、后泵蓋、托架、軸封組成。
轉(zhuǎn)子部件是用兩個徑向軸承部件和推力軸承部件完成徑向支撐和軸向固定，推力軸承部件的扇形塊承受泵的平衡機構(gòu)沒有完全平衡掉的殘余軸向力。葉輪的吸入口都朝向泵的吸入端，逐級滑裝在軸上。在末級導(dǎo)葉和后泵蓋之間裝配可壓縮的纏繞墊組，使后泵蓋能夠可靠地把“泵芯”壓在泵筒體部件內(nèi)。泵兩端軸封采用填料密封。
圖1
3. 現(xiàn)場故障的表現(xiàn)形式與分析以及改進方法
該泵出廠時軸承體振動值在4.2mm/s左右。隨著使用與維修次數(shù)的增多，軸承體的振動值越來越大，高時達到7.5mm/s。過高的振動會增加耐磨環(huán)和轉(zhuǎn)子的磨蝕，降低泵的效率，嚴重時會引起停機，付出高昂的代價。精心的加工，嚴格的檢查和細心的安裝可以有效地減小振動。但是由設(shè)計引起的振動不容易被發(fā)現(xiàn)和解決。該泵振動故障頻譜特征為2倍頻（2X）。產(chǎn)生2倍頻的原因較多，排除轉(zhuǎn)子不對中、摩擦和部件松動等原因，最有可能引起振動的原因是軸承[1]。分析原泵結(jié)構(gòu)，托架部件和軸承體部件是該泵的薄弱點，該泵的軸承體和固定軸承體的托架部件均采用了下半圓支撐的形式的設(shè)計，這種設(shè)計降低了托架的剛度和軸承體的穩(wěn)定性，存在引起振動的隱患。因此在改進設(shè)計時，要著重加強軸承體和托架部件的剛度。軸承體和托架部件改為整圈設(shè)計。要盡可能的減少托架部件開孔的數(shù)量和減小開孔的大小。托架部件的開口只需要滿足完成機封鎖緊功能和接管功能，應(yīng)該最大限度的增大托架部件的剛度。改進后的托架部件（密封函體）如附圖2。
在相同的邊界條件下，通過simulation分析得出：設(shè)計改進后托架的最大應(yīng)力為原泵0.63倍，設(shè)計改進后托架的最大位移僅為原泵0.18倍。如附圖3所示；
該除鱗泵在鞍鋼現(xiàn)場運轉(zhuǎn)一段時間，出現(xiàn)壓力突然下降的現(xiàn)象，已經(jīng)無法達到中、厚板的除鱗要求，被迫停泵檢修。拆解檢查該泵發(fā)現(xiàn)，葉輪和導(dǎo)葉流道無明顯缺陷，導(dǎo)葉和中段密封面完好無損。定子密封環(huán)和轉(zhuǎn)子密封環(huán)間隙在設(shè)計范圍內(nèi)。但在檢查筒體部件時發(fā)現(xiàn)，在泵的吸入口與吸入渦室外徑處（附圖4 R1處）有貫通孔，出現(xiàn)了打“回流”的現(xiàn)象。
圖4
經(jīng)分析，該處壓差最大，需要有足夠的強度，而原泵設(shè)計沒有引起足夠的重視，也沒有采取相應(yīng)的措施，導(dǎo)致該處被擊穿，出現(xiàn)貫通孔。由于鞍鋼現(xiàn)場管道施工困難，導(dǎo)致無法采用偏移吸入口來增加該處厚度的措施。因此，只能在不更改現(xiàn)場安裝尺寸的前提下做一些設(shè)計改進。分析泵筒體部件的原設(shè)計，可以從以下幾方面進行設(shè)計改進：（1）增加筒體部件承受壓差部位的厚度。滿足安裝要求的同時減小吸入渦室法蘭厚度，更改首級中段和首級導(dǎo)葉的軸向尺寸。使筒體部件承受壓差部位的厚度由原來的28mm增加到43mm，達到增強筒體部件承受壓差部位強度的目的。（2）更改筒體部件應(yīng)力集中點。筒體部件承受壓差部位圓弧R1不足以滿足減小應(yīng)力集中的需求。加大圓?。◤较蚝拖蛲鲁隹诜较颍┩耆挥绊懲搀w部件的強度，如附圖5所示。這種改進經(jīng)過有限元分析發(fā)現(xiàn)有效的減小了應(yīng)力奇異點【2】，增強應(yīng)力集中點位置的耐壓能力。
（3）增加入口加強筋板。為了減小筒體部件承受壓差部位的變形，不影響流量的情況下，在筒體部件吸入口位置（低壓側(cè)）焊接一個20mm厚的入口加強筋板，加強筋板焊前應(yīng)加工出焊接坡口，焊后要求對焊縫進行嚴格的檢測，保證加強筋板牢固的同時，減小筒體部件薄弱點的變形。原泵軸斷裂主要集中在首級葉輪軸肩處。原泵軸葉輪處軸徑為110mm,兩軸承支撐點之間的跨距為2573mm,長徑比約為23.39。該值大于20的經(jīng)驗值[3]，證明該泵的轉(zhuǎn)子剛度不足夠。如圖1所示，原泵葉輪采用“串糖葫蘆”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，后一級葉輪依靠前一級葉輪定位，這樣，所有葉輪產(chǎn)生的軸向力均作用在首級葉輪軸肩處。因此原泵在首級葉輪軸肩處出現(xiàn)了泵軸斷裂的現(xiàn)象。經(jīng)分析，改進設(shè)計從以下幾方面進行：（1）在水力尺寸允許且滿足現(xiàn)場安裝的要求下，將葉輪處軸徑提升至￠125mm, 軸承支撐點之間的跨距縮短到2450mm，長徑比約為19.6，略小于20的經(jīng)驗值。（2）將葉輪的固定方式改為“逐級單獨定位”，每個葉輪通過級間卡環(huán)獨立的固定在軸上，減小首級葉輪軸肩處的受力。但應(yīng)注意，合金鋼對應(yīng)力集中的敏感度高，級間卡環(huán)槽和分半卡環(huán)槽處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中和疲勞失效，如果此位置圓弧小，就會形成很高的局部應(yīng)力集中，存在泵軸斷裂的風險。要盡可能的加大此位置的圓角。如附圖6。
（3）選用更高強度的泵軸材料。17-4PH（ZG0Cr17Ni4CuNb）是一種典型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，該材料含鎳量低，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度高于室溫，經(jīng)馬氏體轉(zhuǎn)變后，再經(jīng)480～620℃時效處理，使強度進一步增強。在400℃以下有良好的高溫力學(xué)性能。各項力學(xué)性能指標均優(yōu)于3Cr13,更適合作為除鱗泵上傳遞大扭矩的泵軸使用。兩者力學(xué)性能指標如表1所示。
（4）更改葉輪鍵槽的布置形式。實踐證明，相鄰兩葉輪的鍵槽180°對稱布置很容易在鍵槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中。將相鄰兩葉輪的鍵槽改為120°布置，使泵軸受力更均勻。除鱗泵作為除鱗系統(tǒng)的重要設(shè)備，是影響鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，以及該泵頻繁升降速的工況要求除鱗泵的設(shè)計必須具備比其它大型高壓泵更高的安全系數(shù)。本文只是從鞍鋼現(xiàn)場出現(xiàn)問題零部件的設(shè)計提出了幾點改進設(shè)計建議，該泵其他零部件的設(shè)計驗證也是必不可少的。隨著科技的發(fā)展，CFD也應(yīng)成為設(shè)計驗證和確認的可靠手段，從設(shè)計角度最大限度的減小引起現(xiàn)場故障的可能。除鱗泵的制造、安裝和維護同樣重要，只有保證做好各個環(huán)節(jié)，才能保證除鱗泵長期、穩(wěn)定、安全的運行，為鋼廠中、厚鋼板的產(chǎn)量和質(zhì)量提供有力的保障。[1] 楊紹宇,劉曉鋒,童小忠,陸頌元 大型鍋爐高能給水泵振動故障分析與診斷方法[J]. 汽輪機技術(shù),2006,6
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