一、前言

    泵在冶炼作业中有着非常重要的作用，是提炼流程的必要设备。在大型石化提炼厂，有上千台泵在工作，以保证工厂能够顺利运转。在冶炼作业中，通常是采用离心泵来取代原有的反向泵和回转泵。制造技术及冶金学方面的改善，使得离心泵制造成本大幅下降；同时由于泵内的移动或转动零件越来越少，使得维修作业变得越来越简单。 

泵运转中出现机械问题或是效率降低，就会对整个工厂的生产造成不良影响。耐磨环可以在泵非正常操作条件下运转时，对泵起到提供保护以及控制液体的回收循环情况。所以其性能的优化十分重要。传统的耐磨环是以不同材料的金属所制造，但是由于金属材料的特性所限，影响了离心泵整体功能的进一步提升。 

    二、耐磨环的作用  

    耐磨环的作用，是将泵中转动及静止的零件，高压和低压的部分分隔开。多年来，设计人员尝试了不同的材料来取代金属耐磨环，以期获得性能的改善。在美国石油协会标准(API 610)中，规定离心泵中必须使用耐磨环，并且准许使用复合材料来制造这些零件 ，耐磨环结构如图1和图2所示。 
    三、金属耐磨环失效原因  

    当金属耐磨环有所接触时，通常会产生高温、造成金属焊接在一起(摩擦焊接)，并造成泵运转不顺。这种情况会大幅增加耗电量，造成设备严重损坏，同时可能会使得液体渗漏到大气中，对现场的工作人员造成伤害。以下情况耐磨环可能会发生接触。 

   （1）在泵刚起动，液体还没有流过叶片之前而空转时(尤其是垂直式泵更为严重)。 

   （2）当转动轴变形，转动叶片因为泵内压力突然升高或其他异常情况而偏离转动轴。 

   （3）在起动或停止期间“慢速转动”时，因为振动而使得套管偏离转动轴。 

   （4）在低压蒸汽下、出现气泡或在处理低密度的液体时。 

   （5）放射状轴承失灵，使得耐磨环彼此接触时。 

    四、金属耐磨环之外的其他选择  

    在了解使用金属和复合材料零件的实际成本费用之后，有些生产厂商转而使用石墨/金属合金等替代材料。但是石墨/金属合金制造的零件脆性太大，耐冲击性、抗振动和抗强烈撞击性能差。这些特性使得石墨/金属合金零件，在运送和安装的过程中可能会出现断裂的情况，大幅提高更换组件的成本。 

    在20世纪80年代中期，DuPontTM杜邦开发出一种以氟化树脂为基材，通过特种纤维强化的高性能材料Vespel CR-6100。CR—6100结合氟化树脂的抗化学侵蚀及耐高温性（使用温度可高达288℃），以及特种纤维的强度与尺寸稳定性。 

    CR—6100材料已被应用在西岸纯化公司、钢材研磨、纸张研磨、化学工厂以及食品加工厂等产业使用的泵中。它取代金属及其他复合材料，作为泵中的耐磨环、喉管轴衬和套管轴承，大幅度提升泵的效能。 

    五、使用CR—6100材料耐磨环的好处 

    1. 降低维修费用  

    维修耐磨环的成本非常高，尤其是大型泵的维修，通常每年会付出高达数十万美元的维修费用，同时需要花费几个星期的时间。以美国一个炼油工厂为例，其盐水冷却系统曾经出现过一些问题。在这个系统中包含了4个并联方式配置，共享备用系统的泵。这个系统每年都因为重复进行维修(每年5到6次)，而要花费超过200 000美元的维修费用。当较大的碎片在经过进口时，会因为阻塞而带来剧烈的振动，造成耐磨环摩擦力提高。最后可能会导致叶片、泵外壳、套管、轴承、轴承衬管以及衔接器等部件的损坏。除维修费用高昂外，还有可能会对泵操作人员和维护保养人员的安全造成威胁。该公司后决定采用CR—6100材料的耐磨环及喉管轴衬。在第一部泵经过改装正常使用后，一个大的碎片卡在转动叶片中，使得泵的套管损坏。但是CR—6100耐磨环以及喉管轴衬仍然可以支撑住破损的泵套管，且可以继续使用。其中的转动叶片与外壳并未损坏。在所有的泵的耐磨静止部件被更换成CR—6100之后，每年的维护保养费用降低到4万美元，维修时间也从几个星期缩短到几天。 

    2.效率的提升 

    一个泵的运转效率，主要取决于通过耐磨环而回流的液体量大小；缩小耐磨环的间隙，可以缩小耐磨环之间让液体通过的面积。而采用金属耐磨环，需要保持较大的间隙以降低耐磨环碰触。但是较大的间隙会造成液体回流，使得泵的效率降低。同时较大的运转间隙会造成泵强力的振动，使得套管移位而造成耐磨环彼此接触。 

    CR-6100拥有较低的热膨胀系数(CTE)，因此使用这种材料制造的耐磨环等静止部件，在安装时就可有更小的运转间隙，详情参考下表。这样可在更低的输出功率下得到相同的流量，同时也使效率提高2%~5%。此外，这些耐磨环所造成的振动也得到了大大的降低，延长轴承和耐磨环的使用寿命。 

   3.空转不会造成运转不顺利 

    CR—6100 耐磨环可以在空转的情况下使用。在没有吸入任何液体，操作条件超出设计范围，慢速转动，或者泵刚起动的期间，不会造成泵运转不顺。相反，使用金属耐磨环的泵若遇到同样的情况，就会造成泵因高温而卡死，需要停机进行拆卸维修，以便将问题排除。 

    在某凝结回收作业中，离心泵在接近汽化的温度下运转，因此经常出现“蒸汽死锁”及“空转”的情况。其常见的损坏情况，包括耐磨环因高温而黏在一起、转动叶片破裂，以及扰动板偏转。此外，管路套管轴承也可能造成套管损坏且无法修复，最后导致泵下半部整个被刮伤。泵平均每年都要维修两次，更严重的是每次泵送修时，许多非常昂贵的凝结剂都会被浪费掉。工厂的维修人员将某一个泵内所有的静止磨耗零件都改为CR—6100材质，并测试其在工作运转过程中加压效能。因CR—6100材质的磨耗零件有较小的间隙，所以该泵的加压效能比新泵稍高。之后进料阀门被关闭1min的时间，并让泵持续运转，然后重新开起阀门。泵没有出现运转不顺的问题，其振动情况及温度都维持非常稳定，经过测量其效能也没有任何改变。再将进口阀门关闭60min的时间，也没有对其效能造成非常严重的影响。该泵在连续使用3年后被送回进行例行性维护保养。CR—6100材质的零件仍然可以继续使用。现在泵中的所有静止磨耗零件都采用CR—6100材料，故障率也从每年两次故障，变成在4年内完全没有故障。 

    六、结论  

    大多数离心泵的运转条件，都很容易造成其耐磨环受到损坏。但是炼油厂商可以有效避免这种情况，选择具有最佳之操作及功能特性的零件。这样，管理人员就可以提高作业的效率和安全性，同时大幅降低公司的营运成本。 

    作者：Delaware Wilmington杜邦公司 Dave Pfaff 台湾杜邦公司 陈怡光