高压水泵断轴原因及改进探讨

沈鼓石化泵有限公司　王英敏

一、前言

某炼油厂80万t/a延迟焦化装置，共两台高压除焦水泵,均采用沈阳水泵厂生产的DBM250-155X13型高压水泵,性能参数如下。

额定流量：Q=250m³/h

额定扬程：H=2050mo

转速：n=2980r/min

泵级数：13级

该泵自2003年开始投入运行以来，每天需要工作4h左右，起停一两次，运转一直十分平稳。但是2014年泵轴叶轮卡环处突然发生断裂。

二、断轴失效原因分析

1.原泵结构

泵结构如图1所示。

从图1可以看出叶轮是按顺序热装在轴上，所有叶轮都用卡环轴向逐级定位。这样不会出现累计加工误差，可以保证每个叶轮与导叶都能够良好对中，同时热装也提高了转子的刚性，使泵工作平稳可靠，是目前很多重要的大机组转子普遍采用的种装配方式。但这种结构对加工精度要求很高，由于合金钢对应力集中的敏感度高，卡环槽处极易产生应力集中和疲劳失效，如遇工况不稳定，频繁起停，操作不当等外在因素，很可能会产生断轴。

2.断轴原因分析

停车解体检查发现，断面发生在第8级的叶轮卡环处，如图2所示，此处位于转子的中心位置，挠度Z大，很容易发生断裂，泵轴总长2960mm，叶轮轴径φ105mm，材质为4Cr14Mo，并经调质处理。

通过一系列的分析可知，泵轴断口表现为疲劳失效特征，位于断口位置的卡环槽处过渡圆角过小，形成了很高的局部应力集中，裂纹往往在此处萌生，这是叶轮失效的主要原因。

此处泵轴的疲劳断裂还与运行条件有关。由于泵轴长期接触含有酸、碱、盐的污水，在这样恶劣的腐蚀环境下，金属材料的疲劳强度急剧下降，其表面的腐蚀产物嵌入金属表面，在外加交变应力的作用下，引起腐蚀疲劳断裂。

三、结构改进及优化

1.更改叶轮和轴的装配形式

叶轮和轴的装配形式改为滑装(见图3)，首级一咔轮采用轴肩定位，次级叶轮逐级靠死，这样就取消了卡环(槽)，叶轮处的轴全是光轴，这种结构可能会出现累计误差，但这种结构避免了由卡环槽加工质量不好而引起的应力集中。

2.更改叶轮键槽的布置形式

原泵相邻两个叶轮的键槽是180°对称布置(见图l)，实践证明，这样的布置形式很容易在键槽处产生应力集中。更改相邻两个叶轮的键槽互为120°布置，这样轴的受力更加均匀。

3.选择强度更高的材料

原泵的材质为IR3Mo (4Cr14Mo)，该材质为引进德国KSB公司高压锅炉给水泵用材料，该材料的强度等性能参数非常优良，通过多年的使用经验，发现其热处理后很容易出现表面裂纹。针对高压除焦水泵运行工况的特点，决定泵轴材料选用1.4313(0Cr13Ni4Mo)，该材料为沈阳鼓风机集团石化泵有限公司近年来引进的超临界机组高压锅炉给水泵所用的轴材料，该材料的各项力学性能指标均优于IR3Mo (4Cr14Mo)，更适合作为高压除焦水泵上传递大扭矩的泵轴使用。两者主要性能指标见下表。

4.优化泵轴的结构.提高加工质量

设计方面，应尽量降低轴危险截面的应力集中系数，改善泵轴的工作应力状态。轴的截面变化处如轴肩、键槽等位置，会产生应力集中，疲劳破坏往往在此发生，因此在轴的结构设计中，应尽可能提高轴的表面质量，如可采用增大轴肩处圆角半径，在键槽底部加圆角及提高轴的表面粗糙度等措施。

5.选择合理的长径比

经验表明，对于H-=1800m系列的n=3000r/min的多级泵，轴的长径比 L/d (L为两径向轴承中心距离(公众号:泵管家)，d为装叶轮处的轴径)应该在20~25,对于要求频繁起动的泵，建议值不小于23。

6.选择合适的转速

对于高压除焦水泵和除鳞泵等这些扬程较高的泵，在汽蚀余量允许的情况下，尽可能选择较高的转速。这样可以减少泵的休积和级数，泵轴的长径比会更小一些，减小泵轴承受的扭矩，使泵的运行更加稳定可靠。

经验表明对于n=5000~6000r/min的多级泵，长径比应在20以下。

四、改造方案的确定

据此泵的实际情况，考虑到用户检修工期比较短，决定?对泵的转子部分进行改造，所有的定子件利旧这样既保证了交货朔又可以降低改造成本。

由于首级叶轮要采取轴肩定位，叶轮轮毅处的水力尺寸需要增加，考虑到吸入面积的减小会影响到泵的必需汽蚀佘量，在保证吸入口面积不变的情况下，上抬叶轮的前盖板入口尺寸。次级叶轮吸入口面积适当减小对泵的性能影响不大，听以次级叶轮之间采用薄轴套定位，并适当增加叶轮处的轴径，这样次级叶轮的毛坏就可以利旧，缩短了加工周期，平衡鼓和末级叶轮之间采用轴套定位。其余的转子零件，比如平衡盘锁紧螺母和推力盘等全部利旧。

五、结语

高压水泵改造完成后，在厂内进行性能试验，各项性能指标均满足要求。在用户现场已安全稳定运行两年，用户对改造结果非常满意。此高压水泵的改造成功为多级数、高扬程的高压离心泵的改造和同类新产品的设计积累了经验。