温升对泵的影响及对策

胡述明 （中石油长庆油田分公司对外合作部，陕西 西安710018）

文忠选 （中石油青海油田分公司井下作业公司，甘肃 敦煌736202）

温升对泵的影响及对策

胡述明 （中石油长庆油田分公司对外合作部，陕西 西安710018）

文忠选 （中石油青海油田分公司井下作业公司，甘肃 敦煌736202）

针对泵在运行过程中的发热现象，从热的来源、热产生的过程及机理、发热对泵的影响方面进行了分析，提出了降低泵内热量的建议及改进措施，旨在为泵的设计、维护保养和操作方面的研究提供参考。

抽油泵；发热；机械密封；维护保养

在石油行业中，泵是输送原油、水及其他流体必不可少的基础设备［1，2］。泵是否能可靠、平稳、高效的运行对油田的正常生产影响较大，而泵在运行过程中的发热是造成泵效低、故障率高、使用寿命短的主要原因之一。因此，必须对泵在运行过程中发热的过程及机理、发热对泵的影响进行分析，并提出改进措施，为泵的设计、操作和维护保养提供一些参考依据。

1 引起泵温度升高的原因

引起泵运行时温度升高的原因很多，如管线、泵、阀门和其他设备靠近加热炉附近安装时，会引起泵、机械密封等部件温升；泵输送的介质及周围的环境温度变化也能引起泵的升；当泵轴不平衡或弯曲后，会引起运动部件与静止部件之间的摩擦发热而引起温升［3］。现以密封表面与轴套的摩擦以及泵内磨擦产生的热量为例，介绍其具体计算方法。

1.1 密封端面产生的热量

为了方便分析，选择了常用型非平衡式密封泵的典型数据作为计算依据，对密封表面或密封填料与轴套的摩擦产生的热量进行定量分析，计算公式如下：

式中，Hm为机械密封表面产生的热量，J/s；Ff为摩擦力，kgf；V为泵轴的线速度，m/min；g为重力加速度，9.8m/s2；N 为密封施加于泵轴上的力，kgf；f为摩擦系数；P 为填料盒压力，kgf/cm2；Af为密封端面面积，cm2；Ps为弹簧施加于密封端面的压力，kgf；D为密封端面直径，cm；n为泵转速，r/min。

某密封填料盒压力为10kg/cm2，密封端面直径为50mm，密封端面面积为6.5cm2，密封弹簧载荷为2.0kg/cm2，弹簧施加于密封端面载荷为13kg，泵转速为2900r/min，填料盒容积 （水）为500cm3，密封端面摩擦系数为 （平均）0.2。计算出机械密封表面产生的热量为677J/s，9.7kcal/min，即1min产生9.7kcal的热量会使9.7L水的温度提高1℃。

由于填料盒的容量只有0.5L （500cm3），为了防止填料涵温升，必须使用9.7×2＝19.4L/min的水对填料虑进行冲洗，才能保证温度不会升高。

产生热量的大小与是否采用平衡式机械密封关系不大，而与泵使用的密封填料有关。一般而言，填料式密封产生的热量是平衡式机械密封产生的热量的6倍。

1.2 泵内摩擦产生的热量

在实际应用中，没有一台泵的泵效会达到100%，如果一台泵的泵效为60%，那就意味着有40%的能量转换成了热量。如果泵在正常温度下稳定地运行在最佳效率点，泵内温升计算公式见文献 ［4］。

如果温升超过泵的正常运转温度10℃，则被看作是超温。如果泵设置了超温保护，泵就会自动停止运转，或者出口排量被限制。

2 温升对泵的影响

1）增加介质的腐蚀性 通常，温度每升高10℃，化学反应速度会增加1倍。腐蚀就是一种化学反应，因此，腐蚀会随着温度的升高而增加。对于输送腐蚀性液体的泵必须考虑使用抗腐蚀密封材料。

2）改变部件间的配合精度 泵的精密配合包括：抗磨环间隙、密封面载荷、节流/热衬套、轴承与轴的过盈配合、叶轮/壳体的间隙、泵/电机的对中等。通常情况下，对不锈钢而言，温度每升高100℃，每毫米长度增加0.001mm。

开式叶轮与泵壳体或后盖之间设定了特定间隙，通常为0.5mm，它们之间的间隙增加0.05mm，泵的效率就会降低1%；在闭式叶轮中，抗磨环的间隙增加0.03mm，泵的效率就会降低1%。

不同材料的膨胀率和膨胀方向不同。例如，钢的膨胀率大约为不锈钢的60%～70%，大多数机械密封端面的膨胀率为不锈钢的1/3，所以应记住这个数据，这个数据在制定配合间隙时非常有用。另外还要说明的一点是泵在连续运行时要比间歇运行时机械密封和轴承的温升小。

3）机械密封损坏 目前流行的有些碳/石墨密封端面或有些便宜的陶瓷端面密封会因过热而出现粘接或损坏，因此，在旋转设备中不建议采用碳/石墨机械密封。有些设计中采用了温升很小的光滑表面机械密封，但这种机封仅限于低温下应用，加工时必须在低温下进行抛光，以防止在加工时变形。

4）大幅度降低弹性元件 （橡胶件）的寿命 热会使弹性元件挤压变硬，如果足够的热量施加于弹性元件，就会使弹性元件变得很硬而破裂。所以所有的弹性元件都对操作温度有严格的限制。

5）介质变成固体或气体 对于泵来说，最容易输送的介质是常温、干净、带润滑作用的液体。水加热会变成蒸汽；胶、漆和高分子等物体加热会变硬；油加热会变粘，腐蚀性增加。温度变化会使液体蒸发、结晶、凝固、碳化，在表面形成薄膜等现象。泵可以输送液体，但输送蒸汽和固体时就会有问题。液体的蒸发，会导致机械密封表面的润滑油冻结，撕裂石墨或硬质密封表面。

6）增加管线应力 管线应力会造成泵轴的偏心、摩擦增大，使密封和轴承过早的损坏；管线应力会使泵与驱动设备之间对准发生偏离，甚至会造成泵或驱动设备的损坏。

7）发生汽蚀现象 温度升高时，容易在泵中产生汽蚀现象。气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是泵中的汽蚀过程。泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，而导致泵的性能下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。

8）改变轴承润滑油的粘度 即使最好的润滑油，当它变成胶状体时，则无法起到润滑作用，轴承润滑油在115℃时就开始变粘。正常情况下，轴承的运行温度应该保持在正常油温以上5℃。润滑油和润滑脂在30℃下的使用寿命为30年，在此温度基础上，温度每上升10℃，使用寿命就会下降一半。随着温度的上升，轴承润滑油的粘度会随之降低，润滑油的特性发生变化，在润滑面形成的一层胶状膜，会形成焦炭，从而加大了轴承的磨损。

3 减少泵发热的措施

3.1 机械密封

随着分体式机械密封的发展，20世纪80年代初所采用的填料式密封几乎已不再使用。一套机械密封在运行中的发热量要比一套好的填料式密封小6倍。按成本计算，所节省的能量在不到2年时间内就可以把购买机械密封的费用补偿回来，投资回报可以达到50%。所以，要尽可能采用机械密封，并且机械密封上应使用较大尺寸的填料盒，如果需要特别冷却，请选用夹套式填料盒，当冷却器夹套因使用普通自来水 （硬水）而结垢后，会影响散热效果时，应改用纯净水或蒸馏水。另外，确保机械密封静端面与轴同心，以防止轴因磨损、串动、晃动、失去平衡、振动、弯曲等产生摩擦而生热。

3.2 泵轴承维护

定期检查油位，定期更换润滑油。在更换轴承时应该对照轴承选型表，选择正确型号的轴承，以确保轴承与泵轴配合良好。如果轴承不匹配，会产生过热。如果泵持续高温，应增加轴承润滑油冷却系统，不要直接冷却轴承外部、轴承或轴承室，这样做会引起轴承的收缩，产生更多的热量。

大多数轴承的损坏是由于润滑油过脏或温度过高所致，错误的安装方法是导致轴承产生的高温的主要原因，所以在安装轴承时要格外细心。更换迷宫式密封或刚性密封时应同时更换润滑脂或轴承唇型密封，这样才不会在运行中产生不必要的热量或污染润滑油，才不会导致密封对轴造成磨损。

3.3 泵的操作环境

泵的操作环境包括：①采取措施，隔离大气高温传入介质；②搭建遮阳棚并控制泵房中的温度；随时观察旁路管线和回流管线中介质进入泵入口的温度；③台泵并联运行时，其中1台泵的节流阀上会产生较高的背压，从而引起泵的出口受阻，产生热量，在泵并联运行时应特别注意；④从泵出口到盘根盒的回流管线不仅会额外的提高介质的温度，而且还会增加盘根中固体颗粒的堆积。如果出现这种情况，最好的办法就是断开盘根盒底部到泵入口的连接管线。但是，如果介质温度已经接近汽化点，不要断开此管线；⑤定期检查抗磨环或叶轮的间隙，当泵的效率降低时，产生的热量和振动就会增加，应及时进行调整；⑥使用无伸缩柔性联轴器，确保泵的对准；⑦如果管线有应力，会引进抗磨环接触而发热，应采取正确方法及时消除应力；⑧在输送新介质前，应重新计算，选定输送介质的温度操作范围，确保介质在正常的温度范围内被输送。

4 结 语

由于温升会增加介质的腐蚀性，损坏密封面，液体蒸发，润滑油结焦，液体凝固和结晶，改变部件之间的配合间隙，破坏弹性元件的性能，造成泵的失中，增加管线的应力等弊端，通过改善机械密封或轴承的性能是无法完全解决这些难题的，必须减少泵在运行过程中的发热现象，控制泵在运行时的温升，使泵的运行温度保持在合理的范围内，从而提高泵的运行效率，达到延长泵的使用寿命和降低泵的能耗的目的。

［1］费敬根.机械设备维修工艺学 ［M］.西安：西北工业大学出版社，2001.

［2］牟介刚.丙烷泵的设计与研究 ［J］.水泵技术，1999，22（1）：9～13.

［3］李必祥，王牛.如何提高泵用机械密封的性能及寿命 ［J］.石油化工设备技术，1994，17（6）：23～26.

［4］Engr B，Yifan Qiu.Hard ssurface coating experimental evaluation and thermomechanical analysis of a seal with micro heat exchanger［D］.Beijing：University of Science and Technology，1994.

TE933.3

A

1000－9752（2011）06－0369－03

2011－05－10

胡述明 （1961－），男，2002年大学毕业，工程师，现主要从事设备引进工作。

［编辑］ 苏开科