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耐磨環保護和提高泵的性能
發布時間：2011/1/5 9:24:18 | 閱讀次數：1640次
一、前言
耐腐蝕泵在冶煉作業中有著非常重要的作用，是提煉流程的必要設備。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轉。在冶煉作業中，通常是采用離心泵來取代原有的反向泵和回轉泵。制造技術及冶金學方面的改善，使得離心泵制造成本大幅下降；同時由于泵內的移動或轉動零件越來越少，使得維修作業變得越來越簡單。
泵運轉中出現機械問題或是效率降低，就會對整個工廠的生產造成不良影響。耐磨環可以在泵非正常操作條件下運轉時，對泵起到提供保護以及控制液體的回收循環情況。所以其性能的優化十分重要。傳統的耐磨環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一步提升。
二、耐磨環的作用
耐磨環的作用，是將泵中轉動及靜止的零件，高壓和低壓的部分分隔開。多年來，設計人員嘗試了不同的材料來取代金屬耐磨環，以期獲得性能的改善。在美國石油協會標準(API610)中，規定離心泵中必須使用耐磨環，并且準許使用復合材料來制造這些零件 ，耐磨環結構如圖1和圖2所示。
三、金屬耐磨環失效原因
當金屬耐磨環有所接觸時，通常會產生高溫、造成金屬焊接在一起(摩擦焊接)，并造成泵運轉不順。這種情況會大幅增加耗電量，造成設備嚴重損壞，同時可能會使得液體滲漏到大氣中，對現場的工作人員造成傷害。以下情況耐磨環可能會發生接觸。
（1）在泵剛起動，液體還沒有流過葉片之前而空轉時(尤其是垂直式泵更為嚴重)。
（2）當轉動軸變形，轉動葉片因為泵內壓力突然升高或其他異常情況而偏離轉動軸。
（3）在起動或停止期間“慢速轉動”時，因為振動而使得套管偏離轉動軸。
（4）在低壓蒸汽下、出現氣泡或在處理低密度的液體時。
（5）放射狀軸承失靈，使得耐磨環彼此接觸時。
四、金屬耐磨環之外的其他選擇
上海正奧泵業制造有限公司在了解使用金屬和復合材料零件的實際成本費用之后，有些生產廠商轉而使用石墨/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、抗振動和抗強烈撞擊性能差。這些特性使得石墨/金屬合金零件，在運送和安裝的過程中可能會出現斷裂的情況，大幅提高更換組件的成本。
在20世紀80年代中期，DuPontTM杜邦開發出一種以氟化樹脂為基材，通過特種纖維強化的高性能材料VespelCR-6100。CR—6100結合氟化樹脂的抗化學侵蝕及耐高溫性（使用溫度可高達288℃），以及特種纖維的強度與尺寸穩定性。
CR—6100材料已被應用在西岸純化公司、鋼材研磨、紙張研磨、化學工廠以及食品加工廠等產業使用的泵中。它取代金屬及其他復合材料，作為泵中的耐磨環、喉管軸襯和套管軸承，大幅度提升泵的效能。
五、使用CR—6100材料耐磨環的好處
1. 降低維修費用
維修耐磨環的成本非常高，尤其是大型泵的維修，通常每年會付出高達數十萬美元的維修費用，同時需要花費幾個星期的時間。以美國一個煉油工廠為例，其鹽水冷卻系統曾經出現過一些問題。在這個系統中包含了4個并聯方式配置，共享備用系統的泵。這個系統每年都因為重復進行維修(每年5到6次)，而要花費超過200000美元的維修費用。當較大的碎片在經過進口時，會因為阻塞而帶來劇烈的振動，造成耐磨環摩擦力提高。最后可能會導致葉片、泵外殼、套管、軸承、軸承襯管以及銜接器等部件的損壞。除維修費用高昂外，還有可能會對泵操作人員和維護保養人員的安全造成威脅。該公司后決定采用CR—6100材料的耐磨環及喉管軸襯。在第一部泵經過改裝正常使用后，一個大的碎片卡在轉動葉片中，使得泵的套管損壞。但是CR—6100耐磨環以及喉管軸襯仍然可以支撐住破損的泵套管，且可以繼續使用。其中的轉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，每年的維護保養費用降低到4萬美元，維修時間也從幾個星期縮短到幾天。
2.效率的提升
一個泵的運轉效率，主要取決于通過耐磨環而回流的液體量大小；縮小耐磨環的間隙，可以縮小耐磨環之間讓液體通過的面積。而采用金屬耐磨環，需要保持較大的間隙以降低耐磨環碰觸。但是較大的間隙會造成液體回流，使得泵的效率降低。同時較大的運轉間隙會造成泵強力的振動，使得套管移位而造成耐磨環彼此接觸。
CR-6100擁有較低的熱膨脹系數(CTE)，因此使用這種材料制造的耐磨環等靜止部件，在安裝時就可有更小的運轉間隙，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，同時也使效率提高2%~5%。此外，這些耐磨環所造成的振動也得到了大大的降低，延長軸承和耐磨環的使用壽命。
3.空轉不會造成運轉不順利
CR—6100 耐磨環可以在空轉的情況下使用。在沒有吸入任何液體，操作條件超出設計范圍，慢速轉動，或者耐腐蝕泵剛起動的期間，不會造成泵運轉不順。相反，使用金屬耐磨環的泵若遇到同樣的情況，就會造成泵因高溫而卡死，需要停機進行拆卸維修，以便將問題排除。
在某凝結回收作業中，離心泵在接近汽化的溫度下運轉，因此經常出現“蒸汽死鎖”及“空轉”的情況。其常見的損壞情況，包括耐磨環因高溫而黏在一起、轉動葉片破裂，以及擾動板偏轉。此外，管路套管軸承也可能造成套管損壞且無法修復，最后導致泵下半部整個被刮傷。泵平均每年都要維修兩次，更嚴重的是每次泵送修時，許多非常昂貴的凝結劑都會被浪費掉。工廠的維修人員將某一個泵內所有的靜止磨耗零件都改為CR—6100材質，并測試其在工作運轉過程中加壓效能。因CR—6100材質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。之后進料閥門被關閉1min的時間，并讓泵持續運轉，然后重新開起閥門。泵沒有出現運轉不順的問題，其振動情況及溫度都維持非常穩定，經過測量其效能也沒有任何改變。再將進口閥門關閉60min的時間，也沒有對其效能造成非常嚴重的影響。該泵在連續使用3年后被送回進行例行性維護保養。CR—6100材質的零件仍然可以繼續使用。現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年內完全沒有故障。
六、結論
大多數耐腐蝕泵的運轉條件，都很容易造成其耐磨環受到損壞。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的效率和安全性，同時大幅降低公司的營運成本。
