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真空设备/泵 |
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耐磨复合材料提高泵的性能 |
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作者：上海葆晨贸易有限公司 来源：世界泵业 |
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多年以来，泵的生产厂商一直使用金属部件作为口环、轴套、衬套，用于API泵中的单级和多级石化流程泵。因为金属部件跟金属部件之间会磨损，耐磨元件与泵之间就有可能咬合或咬死，在强腐蚀工况下，这种情况更为严重——因为此时多用不锈钢部件，而它更易咬合。这时就需要增大口环间隙，来确保泵的转子与定子不会咬死。尽管有预警，但磨伤和咬合问题仍会困扰泵的用户。
磨损元件磨损有很多原因，其中包括：
◆ 径向轴承失效
泵的径向轴承失效，就会使得转子跳动，磨损元件间的接触力度加大，这常会导致严重咬合，最终导致泵的咬死。
◆ 产物汽化
泵受到传统气蚀时，一定会由流体产生水膜而减少了一直的支撑，从而转子转动过大，磨损接触面。
◆ 轴的挠度
轴的挠度过大是造成磨损件相互接触的又一原因。当离心泵远离最佳效率点工作时，径向力比较集中就会使轴弯曲，这就使得转动部件（比如口环或机械密封）与静止部件相接触，造成一方或双方的损坏。
◆ 蒸汽涡轮驱动泵的低速启动
这个问题常会出现在大型多级卧式泵中，它的转子必需达到一定的转速才能获得合适的支撑力，否则泵中的磨损件会相互接触。
◆ 缺少径向轴承支撑
这个问题普遍存在于老式双吸泵和两级往复泵。当初这些泵设计时，都是用盘根作密封，这样它可以为轴提供一个径向的轴承支撑。但由于严格的泄漏标准，很多泵都改用了机械密封。这样就缺少了盘根的轴承支撑作用。使得轴挠度更大，机械密封寿命减小以及口环咬合。
尽管有很多方法可以减小泵咬合和咬死的可能性，但还是有一种方法可以考虑，那就是改用不咬合、不咬死的磨损材料。高性能的热塑性复合材料与钢相匹配不咬合不咬死，即使是在干转、高负荷摩擦的条件下。这种复合材料的作用就是作为牺牲部件。在最坏的情况下，在转子与泵壳咬死之前，这种部件就会磨损或表面熔化。
近些年来，热塑性复合材料已被用于动、静耐磨件中，相匹配的部件还是用钢铁。热塑性复合材料可增加磨损件之间的硬度顺和度——复合材料作为磨耗部件。与其他材料一样，热塑性复合材料同样有它的局限性，而在绝大多数应用中并不明显，而益处却尤为显著。
回流问题
API泵在设计制造时，就考虑了如何控制从出口处的叶轮背面向吸入口的叶轮方向的背流现象，这种密封措施就是指口环。口环通常是成对装配使用，一个装配在转动的叶轮上（叶轮口环），另一个装在泵壳上（泵壳口环），这些口环都能使转子稳定。
以往，口环都使用不同等级的钢制造，转动时，钢制部件之间所产生的摩擦很大，为确保转子与定子不咬合，需要将口环间隙加大。而且，很多钢制部件与配件接触时很容易发生咬合，所以要求更大的间隙。而API 610给我们提供了口环的最小径向间隙标准，很多机构也有他们自己的间隙标准。一直以来人们都在努力减少泵的咬合咬死状况。
大的间隙会使泵的内部产生背流，带来一些令人失望的后果：
·效率损失——大的间隙会使得更多内部流体产生回流，直接影响泵的效率。
·回流气蚀——过大的口环间隙会产生气蚀，同时背流也会产生气蚀。出口到吸入口的口环间隙增大会影响流体流动性质，也会使叶轮的NPSHR值升高。
·高振动——若流体流速过高，流体流过口环表面时会对转子有扰动。
复合口环
WRTM 热塑性复合材料是一种不咬合、低摩擦系数的材料，在非浆体中有非常好的耐磨性能。由于加入了碳纤维做补强，它的机械性能比金属更有竞争力，因此，这种材料已用作一些泵的口环，代替了部分金属口环。这种材料减少了摩擦和咬合，很大程度上减小了口环间隙。表1列出了API 610 推荐径向运转间隙标准，对于铸铁、铜、硬度在11～13％的铬及有相似咬合性的金属，表1也列出了一些使用WR材料时的径向运转间隙。
减少泵中磨损件的径向运转间隙，可以使泵以最大效率工作，减小了内部背流也就减少了马力；并可以减少泵背流气蚀的机会和泵的振动频率。 表1. API推荐的径向运转间隙以及使用WR材料时的径向运转间隙
 这种性能上的提高很快就能转化为切实的回报。举例说明，一个泵的OEM维修组更新了一台九级卧式可分式锅炉给水泵，将不锈钢叶轮环和轴套均换成了含连续碳纤维的热塑性复合材料。结果，泵的效率由81.2％提高到了83％。该地区电力费用为0.12美元/kWh，所以每年可以节省57,248美元，将全部费用——运费、维修费、重装费，加起来共三万美金，所以用户在6.3个月内就能将成本收回。
复合元件的成功之处
◆ 径向轴承失效的解决
一个海湾炼油厂采用含连续碳纤维的热塑性复合材料叶轮口环来改进一台大直径单级海水泵，此泵的的轴向跟径向都有磨损导致了轴在转速为1800 rpm时损坏。不锈钢口环换成复合材料叶轮口环后，当口环间隙达到更替要求时，不锈钢叶轮跟泵壳口环都没有磨损和损坏。结果泵的维修费低于使用不锈钢口环时的一半。
◆ 产物汽化问题的解决
这种问题常会出现在运送的流体蒸汽压与操作压相近的场合，比如低组分的烃类，还有开水给水泵中。西部德州电厂就经历过这种咬合现象，三台12级卧式可拆分式锅炉给水泵，操作温度为130℃，咬合咬死现象短期内就会发生，此时泵低于NPSH的要求。该电厂决定采用含碳纤维补强的热塑性磨损材料改装所有静磨损件，包括所有泵壳口环和衬套。这台泵自重新安装后，正常工作了四年多。工厂技术经理说，泵系统发生故障会影响整个地区，但泵至今没有再出现过咬合和咬死现象。
◆ 轴挠度过大问题的解决
轴的挠度会产生高振动，缩短机械密封的寿命，还会产生噪音，单级立式管道泵就会有这种现象。工程师将其所用的钢制口环换成了一个含连续碳纤维的热塑性复合材料叶轮口环，配用不锈钢泵壳口环，石墨喉部衬套也换成了复合材料。于是，间隙减小了一半，振动随之减小。这台泵使用了一年多，振动没增加，较小的间隙还减小了轴的跑动。
◆ 低转速启动问题的解决
当泵由蒸汽涡轮驱动时，转子要达到操作转速，至少要达到预热涡轮的最低转速。有家工厂在使用八级热水给水泵时遇到这种问题。该泵的驱动涡轮为单级260马力蒸汽涡轮（60 psi蒸汽），正常转速为3550~3600，但在启动时要求以500 rpm的转速运转近30分钟，这使得不锈钢磨损件在启动时要摩擦多次。使用含碳纤维的热塑性复合材料改进静止磨损部件后，间隙和振动减小了，泵的效率提高了，而且在低速启动阶段也没有咬合现象。
◆ 径向轴承支撑缺少问题的解决
在双吸泵中，热塑性复合材料多用于紧密的泵壳口环，以及喉部衬套和填料箱。小间隙的泵壳口环使传统的轴承支撑位于轴的中间，这是偏离问题出现的主要位置。两级往复泵原来就有高偏离、咬合、机械密封寿命短等问题，它的两个叶轮间有个衬套但在轴的底部没有轴承支撑。热塑性复合材料部件减小了叶轮间口环和衬套的间隙，从而减小了轴的偏离，提高了机械密封的寿命，并减少了咬合。
结论
热塑性复合材料使得动静磨损件间有较大的硬度差，而复合材料是作为损耗部件，这降低了咬合咬死的几率，减小了间隙，此外，复合材料部件还具有以下优点：马力减少、泵效率提高、振动减小、避免干转。这些优点使API泵的运行和维修费用都减少了。
与其他材料一样，热塑性复合材料也有它的限制。对于化学物质适用的限制在材料加工方面需进一步讨论。
Greene Tweed 公司革命性的碳纤维复合技术，所生产的新材料是取代金属、碳及石墨等磨耗元件的理想新材料。
◆ WRTM 525：连续碳纤维/ PEEK
复合材料
WR-525是一种复合材料，在PEEK（Poly-ether-ether-ether-ketone）基材中添加了连续碳纤维。其卓越的机械强度、独特的低膨胀特性及优秀的耐磨耗性能，提供了转子最大的稳定度、泵效率的提升以及更短的失效间隔期MTBF（Mean Time Between Failures）。
WR-525的一般应用包括叶轮磨耗环、多段轴承/衬套、底部轴承、扩散器轴承、直轴轴承、节流衬套、外壳耐磨环。
WR-525最近刚通过OEM的测试，连续6000次的启动、停止而没有损坏或磨耗。
◆ WRTM300：添加长碳纤维的PEEK材料
WR-300是一种长碳纤维添加到PEEK（Poly-ether-ether-ketone）强化压模所制成的。PEEK添加了长碳纤维加强了材料的强度、稳定性及散热性，且超越了其他种类的热塑性工程塑料。
WR-300的低摩擦系数及低热膨胀特性，使其适用于轴承、衬套及离心泵的口环，还可用于润滑性差的锅炉给水、冷凝液、轻质烃、芳香烃、丁二烯及其他低比重的介质。其应用一般包括外壳耐磨环、多段轴承/衬套、定部/底部轴承、扩散器轴承、直轴轴承、节流衬套、叶轮耐磨环。
联系方式：
Greene, Tweed上海代表处
电话：+86-21 5437 4382
电邮：webmaster@pnc-china.com (end)
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(投稿)
(2/8/2007) |
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