耐磨環(huán)保護(hù)和提高泵的性能

 一、前言 

泵在冶煉作業(yè)中有著非常重要的作用，是提煉流程的必要設(shè)備。在大型石化提煉廠，有上千臺泵在工作，以保證工廠能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)。在冶煉作業(yè)中，通常是采用離心泵來取代原有的反向泵和回轉(zhuǎn)泵。制造技術(shù)及冶金學(xué)方面的改善，使得離心泵制造成本大幅下降；同時(shí)由于泵內(nèi)的移動或轉(zhuǎn)動零件越來越少，使得維修作業(yè)變得越來越簡單。  

泵運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)機(jī)械問題或是效率降低，就會對整個工廠的生產(chǎn)造成不良影響。耐磨環(huán)可以在泵非正常操作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對泵起到提供保護(hù)以及控制液體的回收循環(huán)情況。所以其性能的優(yōu)化十分重要。傳統(tǒng)的耐磨環(huán)是以不同材料的金屬所制造，但是由于金屬材料的特性所限，影響了離心泵整體功能的進(jìn)一步提升。  

二、耐磨環(huán)的作用  

耐磨環(huán)的作用，是將泵中轉(zhuǎn)動及靜止的零件，高壓和低壓的部分分隔開。多年來，設(shè)計(jì)人員嘗試了不同的材料來取代金屬耐磨環(huán)，以期獲得性能的改善。在美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(API 610)中，規(guī)定離心泵中必須使用耐磨環(huán)，并且準(zhǔn)許使用復(fù)合材料來制造這些零件 ，耐磨環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。  

三、金屬耐磨環(huán)失效原因  

當(dāng)金屬耐磨環(huán)有所接觸時(shí)，通常會產(chǎn)生高溫、造成金屬焊接在一起(摩擦焊接)，并造成泵運(yùn)轉(zhuǎn)不順。這種情況會大幅增加耗電量，造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)可能會使得液體滲漏到大氣中，對現(xiàn)場的工作人員造成傷害。以下情況耐磨環(huán)可能會發(fā)生接觸。  

（1）在泵剛起動，液體還沒有流過葉片之前而空轉(zhuǎn)時(shí)(尤其是垂直式泵更為嚴(yán)重)。  

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)動軸變形，轉(zhuǎn)動葉片因?yàn)楸脙?nèi)壓力突然升高或其他異常情況而偏離轉(zhuǎn)動軸。  

（3）在起動或停止期間“慢速轉(zhuǎn)動”時(shí)，因?yàn)檎駝佣沟锰坠芷x轉(zhuǎn)動軸。  

（4）在低壓蒸汽下、出現(xiàn)氣泡或在處理低密度的液體時(shí)。  

（5）放射狀軸承失靈，使得耐磨環(huán)彼此接觸時(shí)。  

四、金屬耐磨環(huán)之外的其他選擇  

在了解使用金屬和復(fù)合材料零件的實(shí)際成本費(fèi)用之后，有些生產(chǎn)廠商轉(zhuǎn)而使用石墨/金屬合金等替代材料。但是石墨/金屬合金制造的零件脆性太大，耐沖擊性、抗振動和抗強(qiáng)烈撞擊性能差。這些特性使得石墨/金屬合金零件，在運(yùn)送和安裝的過程中可能會出現(xiàn)斷裂的情況，大幅提高更換組件的成本。  

在20世紀(jì)80年代中期，DuPontTM杜邦開發(fā)出一種以氟化樹脂為基材，通過特種纖維強(qiáng)化的高性能材料Vespel CR-6100。CR—6100結(jié)合氟化樹脂的抗化學(xué)侵蝕及耐高溫性（使用溫度可高達(dá)288℃），以及特種纖維的強(qiáng)度與尺寸穩(wěn)定性。  
CR—6100材料已被應(yīng)用在西岸純化公司、鋼材研磨、紙張研磨、化學(xué)工廠以及食品加工廠等產(chǎn)業(yè)使用的泵中。它取代金屬及其他復(fù)合材料，作為泵中的耐磨環(huán)、喉管軸襯和套管軸承，大幅度提升泵的效能。  
    五、使用CR—6100材料耐磨環(huán)的好處  

1. 降低維修費(fèi)用  

維修耐磨環(huán)的成本非常高，尤其是大型泵的維修，通常每年會付出高達(dá)數(shù)十萬美元的維修費(fèi)用，同時(shí)需要花費(fèi)幾個星期的時(shí)間。以美國一個煉油工廠為例，其鹽水冷卻系統(tǒng)曾經(jīng)出現(xiàn)過一些問題。在這個系統(tǒng)中包含了4個并聯(lián)方式配置，共享備用系統(tǒng)的泵。這個系統(tǒng)每年都因?yàn)橹貜?fù)進(jìn)行維修(每年5到6次)，而要花費(fèi)超過200 000美元的維修費(fèi)用。當(dāng)較大的碎片在經(jīng)過進(jìn)口時(shí)，會因?yàn)樽枞鴰韯×业恼駝�，造成耐磨環(huán)摩擦力提高。最后可能會導(dǎo)致葉片、泵外殼、套管、軸承、軸承襯管以及銜接器等部件的損壞。除維修費(fèi)用高昂外，還有可能會對泵操作人員和維護(hù)保養(yǎng)人員的安全造成威脅。該公司后決定采用CR—6100材料的耐磨環(huán)及喉管軸襯。在第一部泵經(jīng)過改裝正常使用后，一個大的碎片卡在轉(zhuǎn)動葉片中，使得泵的套管損壞。但是CR—6100耐磨環(huán)以及喉管軸襯仍然可以支撐住破損的泵套管，且可以繼續(xù)使用。其中的轉(zhuǎn)動葉片與外殼并未損壞。在所有的泵的耐磨靜止部件被更換成CR—6100之后，每年的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用降低到4萬美元，維修時(shí)間也從幾個星期縮短到幾天。  

2.效率的提升  

一個泵的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，主要取決于通過耐磨環(huán)而回流的液體量大��；縮小耐磨環(huán)的間隙，可以縮小耐磨環(huán)之間讓液體通過的面積。而采用金屬耐磨環(huán)，需要保持較大的間隙以降低耐磨環(huán)碰觸。但是較大的間隙會造成液體回流，使得泵的效率降低。同時(shí)較大的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙會造成泵強(qiáng)力的振動，使得套管移位而造成耐磨環(huán)彼此接觸。  

CR-6100擁有較低的熱膨脹系數(shù)(CTE)，因此使用這種材料制造的耐磨環(huán)等靜止部件，在安裝時(shí)就可有更小的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙，詳情參考下表。這樣可在更低的輸出功率下得到相同的流量，同時(shí)也使效率提高2%~5%。此外，這些耐磨環(huán)所造成的振動也得到了大大的降低，延長軸承和耐磨環(huán)的使用壽命。  

3.空轉(zhuǎn)不會造成運(yùn)轉(zhuǎn)不順利  

CR—6100 耐磨環(huán)可以在空轉(zhuǎn)的情況下使用。在沒有吸入任何液體，操作條件超出設(shè)計(jì)范圍，慢速轉(zhuǎn)動，或者泵剛起動的期間，不會造成泵運(yùn)轉(zhuǎn)不順。相反，使用金屬耐磨環(huán)的泵若遇到同樣的情況，就會造成泵因高溫而卡死，需要停機(jī)進(jìn)行拆卸維修，以便將問題排除。  

在某凝結(jié)回收作業(yè)中，離心泵在接近汽化的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此經(jīng)常出現(xiàn)“蒸汽死鎖”及“空轉(zhuǎn)”的情況。其常見的損壞情況，包括耐磨環(huán)因高溫而黏在一起、轉(zhuǎn)動葉片破裂，以及擾動板偏轉(zhuǎn)。此外，管路套管軸承也可能造成套管損壞且無法修復(fù)，最后導(dǎo)致泵下半部整個被刮傷。泵平均每年都要維修兩次，更嚴(yán)重的是每次泵送修時(shí)，許多非常昂貴的凝結(jié)劑都會被浪費(fèi)掉。工廠的維修人員將某一個泵內(nèi)所有的靜止磨耗零件都改為CR—6100材質(zhì)，并測試其在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中加壓效能。因CR—6100材質(zhì)的磨耗零件有較小的間隙，所以該泵的加壓效能比新泵稍高。之后進(jìn)料閥門被關(guān)閉1min的時(shí)間，并讓泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后重新開起閥門。泵沒有出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)不順的問題，其振動情況及溫度都維持非常穩(wěn)定，經(jīng)過測量其效能也沒有任何改變。再將進(jìn)口閥門關(guān)閉60min的時(shí)間，也沒有對其效能造成非常嚴(yán)重的影響。該泵在連續(xù)使用3年后被送回進(jìn)行例行性維護(hù)保養(yǎng)。CR—6100材質(zhì)的零件仍然可以繼續(xù)使用�，F(xiàn)在泵中的所有靜止磨耗零件都采用CR—6100材料，故障率也從每年兩次故障，變成在4年內(nèi)完全沒有故障。 

 
六、結(jié)論  

大多數(shù)離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，都很容易造成其耐磨環(huán)受到損壞。但是煉油廠商可以有效避免這種情況，選擇具有最佳之操作及功能特性的零件。這樣，管理人員就可以提高作業(yè)的效率和安全性，同時(shí)大幅降低公司的營運(yùn)成本。