通过对高压循环混合泵使用故障情况的分析，指出泵型设计中存在的不足。同时介绍在结构、密封、材料等方面对该泵的改造技术。解决了高温高压循环混合泵轴承寿命短、机封泄露、必需汽蚀余量高、轴向力平衡困难、过流部件腐蚀及冲刷破坏等问题。
中石化化工服务有限公司化工分部高压车间使用几台国外某厂家生产的中高压清洗泵，所输送介质为高温、高压微酸性水。原泵在使用6个月后，泵体、叶轮、后盖冲刷严重，密封寿命很短，频繁更换轴承，并有一次断轴的故障，严重影响装置的正常运行。
该泵的现场工艺条件及要求：
流量：Q=364m3/h
扬程：H=171m
汽蚀余量：2.5m
进口压力：P1 =3.0MPa
工作温度：t=234℃
物料组成：水+微酸
颗粒度：10μm
粘度：0.5cp
针对该泵的实际使用情况，公司组织了有关技术人员对使用状况进行了调研，对泵叶轮、后盖、轴等零部件的破坏进行了检测。为了彻底解决该泵的使用问题，我们联合某泵制造厂家共同改造该泵。改造后该泵运行稳定，且能承受较高的系统进口压力，同时采用耐高温动力机械密封，并配完备的冷却、冲洗或封液系统，以确保该泵的可靠运行。
泵的故障情况分析
过流部件磨损
该泵原来为进口装备，主要起着流程工艺清洗的作用。该泵为普通流程泵全闭式叶轮结构，轴向力通过前后口环设计来平衡，采用机械密封，冲洗方式为Plan21，轴承托架为普通重载系列。在装置开车5个月后，泵的振动和噪声明显加大，流量和扬程明显下降，经解体后发现，叶轮后口环及后盖口环处磨损较大，口环完全失去其节流作用，造成泵性能的下降。
磨损机理
从磨损情况来看，叶轮其他部位使用情况良好，后口环处减薄严重，后盖口环处有鱼鳞状花纹和蜂窝状花纹交互出现，鱼鳞状花纹方向指向水流从高压往低压的方向。经过分析，主要为气蚀损坏和冲刷破坏，同时一定的弱酸性介质加大了其破坏程度。
轴头受力分析
系统的高压使泵入口压力达到3.0MPa，轴径按80mm计算，将近1500kg的压力作用在轴上，在这么大的轴头力的作用下，极易造成轴承的发热及磨损，降低导致轴承寿命，当出现严重的轴受力不均的情况时，可能引起轴头的断裂。泵在运行时有较大的振动，影响了机械密封的寿命和可靠性，使泵的整体寿命大幅降低。
泵的改进设计思路
普通热水泵
全国很多水泵生产厂家都可以生产该类型泵以及其他相关型号的热水泵，但使用介质温度一般不高于150℃，压力不大于1.6MPa，在结构上基本沿袭了IS泵的结构，只是在材料上做了一些变化。20世纪90年代，国内一些泵制造企业开发了R型高压循环混合泵，输送高温水，温度可达到250℃，输送压力可达到5MPa，但性能上最高扬程为80m。当泵入口压力过高或扬程较大的情况下，出现了很多问题，主要表现在以下几点：
轴承寿命短，特别是进口高压情况，轴承故障率高；
密封泄漏，因泵超标震动引起密封失效；
叶轮等过流部件冲刷破坏严重；
振动噪声大。
特别是对于大参数（Q＞150m3/h，H＞80m，入口高于2.5MPa）高压循环混合泵来说，普通的高压循环混合泵都不能保证长期稳定的运行。
高压循环混合泵结构的优化
依据泵实际运行的情况，重新进行设计，对叶轮的叶形进行优化，使泵运行在设计点附近，在叶轮出口增加偏置短叶片，同时斜切出口，减少对隔舌的冲击，也就减少了振动和噪声。
优化后的泵采用卧式单级悬臂式离心泵结构，结构如图1所示。泵采用水平吸入垂直排出的结构，安装方式为中心支撑，泵叶轮采用闭式设计并在叶轮前端装配诱导轮结构，泵壳径向剖分形式。
该型式泵可作系列化设计，设计流量最大可达1250m3/h，扬程最大可达250m，吸入压力6.5MPa，转速2950r/min，输送介质可为洁净或有腐蚀性的弱酸性高温水，温度235~250℃。
泵的特殊设计
三端面推力轴承
该类型高压循环混合泵在运转过程中，转子上存在轴向力，该力将拉动转子轴向移动，因此在设计泵时必须加以考虑，采取必要的措施平衡轴向力。
由于轴向力各分力作用方向不同，当泵正常运转时，轴向力能够很好的被平衡，剩余轴向力作用于推力轴承上；但由于高压循环混合泵进口为高压，泵的轴头力很大，所以轴头力难以被平衡。若此力作用于单个轴承上，会导致轴承磨损严重，寿命缩短，采用三推力轴承，承受较大的轴向力，在实际生产运行中寿命是传统设计的3倍甚至更高。三推力轴承示意图如图2所示。
密封设计
高压循环混合泵的密封设计对泵的使用寿命也非常关键，为了安装和检修方便我们采用了单端面机械密封，密封冲洗方案采用API682标准中Plan32系统，该密封进行了特殊设计，结构上具有承压较好的特点，静密封采用抗压好并耐高温的O型圈和填料环，具有较高的可靠性和安全性。
一般的高压循环混合泵采用的低转速的较多，本型号高压循环混合泵采用高转速（2950r/min），增加诱导轮，优化叶轮的水力设计，降低泵汽蚀余量，从根本上杜绝汽蚀。
考虑到热水介质易汽化，容易形成间隙汽蚀，本型号高压循环混合泵取消了叶轮后口环，并在在叶轮前盖板处添加叶片，当叶轮转动时产生指向叶轮吸入口方向的轴向力，能部分平衡轴向力，以减小轴承的推力负荷。
过流部件的选材，对有腐蚀的弱酸性高温水，由于温度高，再加上汽蚀、电化学等因素，对过流部件破坏严重，因此选用超低碳（C含量≤0.03%）双相不锈钢，其兼具耐蚀、高强度的特点，既能抗腐蚀又能抗冲刷破坏。表（1）所示为在不同腐蚀介质条件下，双相不锈钢同奥氏体不锈钢的腐蚀速率比较。
从表中可以得出，在相同的腐蚀介质条件下，双相钢的耐蚀性明显优于奥氏体不锈钢。因此选用双相钢作为泵的过流部件材料，完全能够满足使用要求。
结论
通过对高压循环混合泵的设计与研究，以及泵产品投入实际生产运行，证明改造后的水泵能够完全满足生产要求，并取得了较好的经济效益。针对高温高压热水介质的泵产品研究，可以得出以下结论：
采用三端面推力轴承，承受较大轴向力，提高轴承的使用寿命。
采用特殊设计的机械密封及配合标准的冲洗方案，结构及密封系统合理，能够满足高温高压热水特殊工况要求。
在叶轮前端增加诱导轮，提高泵汽蚀余量；由于热水介质易气化，为减少泄漏取消泵后口环，并在叶轮前盖板处增加叶片，以平衡轴向力，在实际生产中，使用效果明显改善。
针对具有腐蚀性的高温水，选用特殊的超低碳双向不锈钢，以提高泵的抗腐蚀及耐冲刷能力，保证泵的安全正常运行。
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