立式长轴泵泵轴损坏分析及替代方案比较

杨燕秋

上海电气电站集团工程公司 上海 201199

1 立式长轴泵简介

立式长轴泵是一种离心泵，采用立式安装，具有结构紧凑、操作简单、启动前无需灌泵或抽真空、耐汽蚀性能好、占地面积小和工作效率高等优点[1]。此类泵可以用来输送清水、雨水、氧化铁皮水、污水、具有腐蚀性的工业废水和海水等液体。

立式长轴泵结构如图1所示，实物如图2所示。

图1 立式长轴泵结构示意图

立式长轴泵由于具有众多优点，在火力发电站中有广泛应用。以印度尼西亚R项目为例，该项目为海边燃煤发电站，采用海水作为凝汽器冷却水，并配有海水淡化系统。电站中采用的小型立式长轴泵配置见表1。

2 长轴损坏原因分析

虽然立式长轴泵具备多种优点，但是由于泵轴很长，如果系统设计、设备安装、运行维护或泵本身存在缺陷的话，在调试及后续运行中极易出现泵轴磨损、弯曲甚至断裂的现象。轴的弯曲过大将增大水泵转子的晃度，晃度增大将增加密封环及导叶衬套间隙，如果衬套间隙过大，还会形成涡流，引起水泵振动，降低水泵效率及使用寿命，严重的情况下会造成停泵，甚至系统瘫痪。尤其是小型立式长轴泵，由于安装地点多，长轴较细，易被制造、安装及运行人员忽视，导致损坏点频繁出现。在R项目调试、运行期间，立式长轴泵经常发生振动偏大的现象。经过检修拆解，发现有多台各种型号立式长轴泵的泵轴不同程度反复出现了磨损、弯曲甚至断裂的现象。

图2 立式长轴泵实物图

由图1可以看出，立式长轴泵的泵轴主要可以分为电机轴、传动轴及叶轮轴。如果液下深度较深的话，传动轴还可分为多个轴段，一般所说的泵轴弯曲指的是传动轴弯曲。可以从设备运行管理、安装、设计、质量及系统等方面入手[2]分析造成泵轴损坏的主要原因。

表1 R项目小型立式长轴泵配置

2.1 现场运行管理

泵轴弯曲是造成水泵振动大的原因之一，在现场发现水泵振动偏大之后，首先可以检查水泵的运行环境是否符合说明书要求，例如：使用工况是否与设计工况差别较大，从而使泵产生径向力；水体中是否有较多杂质硬物，吸入泵内，对泵轴造成损害；保护是否失灵，在低水位时未能及时停泵甚至长时间干转，造成水泵各部件之间干摩擦；中间轴承是否磨损过大或损坏，如果没有进行及时更换，会引起水泵的径向不均匀跳动，并对长轴造成磨损[3]。

2.2 安装质量

如果水泵运行条件及各部件状况符合说明书要求，则需检查水泵基础、管道支撑是否牢固，安装水平度是否超差，各泵轴、电机轴是否达到同轴度要求。根据美国一项研究表明，大约50%的机械设备损坏是由于轴的同轴度校准不当所致[4]。此外，填料压得过紧，造成抱轴现象，也会导致轴因摩擦发热而变形或磨损。

2.3 设计及质量

长轴泵本身设计上的不足可导致泵轴损坏，主要表现在以下几个方面。

(1) 轴的直径过细或每一段轴的长度设计不合理，会造成轴刚度不足[5-6]，导致在运行中容易弯曲变形。

(2) 轴没有保护，当输送介质中颗粒物较多时容易使轴磨损。

(3) 轴的材料无法耐受通流介质，特别是具有一定腐蚀性的介质，根据介质含盐量可以采用 316L 不锈钢或双相不锈钢等。

(4) 轴的加工问题。加工中如有制造误差或对中不良等问题，产生以离心力为表征的周期性干扰力，从而会引起泵轴弯曲[7]。又如每根轴的同轴度超差或者连接后整体轴的同轴度超差，将加速导致轴承的磨损，进而对轴造成损伤[8]。

(5) 轴承座与轴承加工问题，使轴承与轴间隙过大，轴与轴承同心度差，易出现轴的抖动现象，长期运行会对轴造成损害[9]。

(6) 联轴器设计不当，导致轴松脱，造成轴的损坏。

2.4 回路系统设计问题

在回路系统设计时需考虑泵的运行环境，即流体环境。在进水流态不理想的情况下，需要设置导流锥等保护措施。如果与其它泵共用流道，由于进水流道的不合理设计使进水条件恶化，产生漩涡，会导致立式长轴泵振动并对长轴造成损害[10]。此外，需合理选型，避免水泵由于偏离设计工况而导致各过流部件损坏。

3 处理方法

3.1 校轴

如果是运行维护或安装问题导致轴弯曲的话，可以将轴送入加工厂进行校轴。

3.2 换轴

如果轴损坏较为严重，表面有裂纹，或由于冲刷形成较深的沟痕，多次校轴而又弯曲，或者由于轴制造本身存在问题，那么需要联系制造厂家进行换轴。

3.3 换泵或改进设计

如果由于泵设计存在问题或者系统设计不合理，那么需要对泵进行改进，增加护轴套管，更换轴的材料，增长轴的直径等，或采用其它泵型进行替换。

4 技术替代方案比较

除了上述对立式长轴泵泵轴的处理方法之外，还可以从项目设计初期考虑用其它设计方案进行替代。这些替代方案虽然避免了一些立式长轴泵带来的运行风险，但也有局限性。

4.1 深挖泵房

马来西亚B项目采用了深挖泵房，降低取水深度的设计方案。B项目使用附近河流作为凝汽器循环冷却水的补水及全厂其它用水的水源，业主方负责引水至河水提升泵房，河水经过提升进入原水水库，再经过一次提升后进入原水预处理系统。B项目的河水提升泵房取水方案如图3所示，采用立式长轴泵取水的印尼R项目循环水泵房前池取水方案如图4所示。

B项目河水提升泵房及原水水库泵房中取水泵的配置见表2。

对比图3及图4，可以看出B项目将泵房挖深，使得水泵取水深度大幅减小，采用可靠性较高、维护更便利的卧式离心泵来替代立式长轴泵，减小了长轴泵泵轴损坏带来的风险，但同时增加了土建的工程量、管道长度等，使得施工工期及费用有所增加。

图3 B项目河水提升泵示意图

图4 R项目海水提升泵示意图

表2 B项目取水泵配置

4.2 采用自吸泵或潜水泵

在某些情况下，考虑到运行维护便利，可以采用自吸泵或潜水泵来替代立式长轴泵。自吸泵安装示意图如图5所示，潜水泵实物如图6所示。

图5 自吸泵安装示意图

图6 潜水泵实物图

当然，上述两种泵型也有局限性。自吸泵的取水深度有限，一般允许吸深不超过5m。此外，自吸泵的效率也较立式长轴泵低，汽蚀余量小，更易发生汽蚀破坏，启动时间更长[11]。这些都需要在设计排水坑及泵选型时加以考虑。

潜水泵由于整个泵及电机都浸没在输送介质中，特别需要考虑材质在输送介质中的耐受性。如果介质是海水，则要采用耐海水腐蚀的不锈钢等材料，这使得造价会有所上升。另外，连接电机的电缆也有一部分浸泡在水中，特别是电机与电缆的接头处，如果在运输、存放或施工中不慎被划伤，则会导致水泵在调试中发生电机短路故障。

综上所述，当在可间歇运行、输送介质条件较差场合，不在关键位置且作为排水泵时，上述两种泵型不失为替代立式长轴泵的优选，但需注意设计、使用得当。

5 结束语

在取水深度较深的情况下，立式长轴泵因其占地面积小、效率高、总体经济性好等特点成为优选。但是，如果不能预防长轴易损坏的问题，则会给电厂的生产运行造成不利影响。因此，在回路系统设计及泵选型时,除了选择优质的设备供应商外，还需要考虑项目现场安装、运行人员的技术水平，尤其对于海外电厂项目，输送补件的条件均较差，且不利于及时维修，更应慎重评估。

另一方面，在综合考虑水泵的用途、工程造价、施工工期等因素后，也可以采用深挖泵房、使用自吸泵或潜水泵替代立式长轴泵等方案。

[1] 李子君.立式长轴泵改造分析[J].科技创新与应用，2014(21)：126.

[2] 刘庆宝.LC型立式长轴泵振动原因分析及处理[J].中国高新技术企业，2014(19)：59-60.

[3] 朱注潮.长轴泵运用中的故障及处理[J].梅山科技，2015(S2)：46-48.

[4] 徐兵.同轴度的测量与校准[J].机械制造，2005,43(7)：64-66.

[5] 张巍，高金文，马立峰，等.长轴液下泵的轴系设计[J].水泵技术，2011(2)：20-22.

[6] 邹继国，刘淑清，闵思明.双基础泵组传动轴中间支撑方式的优化[J].装备机械，2016(2)：48-50，74.

[7] 余良旺.泵轴弯曲变形失效分析与对策[J].通用机械，2011(7)：82-84.

[8] 梁勇军，吴志方.浅谈如何延长立式长轴泵导轴承的寿命[J].水泵技术，2010(1)：10-13.

[9] 李俊.600LA-23立式长轴泵检修频繁原因分析及改进[J].冶金动力，2005(4)：80-81.

[10] 朱红耕.工程措施对水泵进水条件影响的试验研究[J].水力发电学报，2004,23(4)：69-73.

[11] 汤超.立式长轴泵与无密封自吸泵在钢铁企业的应用比较[J].冶金动力，2010(6)：1-4.