盡管耐磨環(huán)（也稱為“口環(huán)”）屬于離心泵中的易損件，但是如果設(shè)計(jì)（包括材料的選用）不合理，不僅直接影響到離心泵的安全可靠運(yùn)行，而且還會(huì)影響到泵的運(yùn)行效率和使用壽命。

經(jīng)常有朋友問(wèn)我：耐磨環(huán)有何用途？如何確定離心泵耐磨環(huán)的間隙？影響耐磨環(huán)間隙的因素有哪些？如何選用合適的耐磨環(huán)材料？

本文將結(jié)合ANSI/API 610第11版標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)”）及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從耐磨環(huán)的用途、結(jié)構(gòu)、材料、間隙等方面就“如何合理設(shè)計(jì)離心泵耐磨環(huán)”給出較系統(tǒng)、全面的建議，僅供廣大同行、特別是用戶參考。

注：本文中所涉及的條款、表及圖號(hào)均指ANSI/API 610第11版標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的條款、表及圖號(hào)。

1 耐磨環(huán)的種類和用途

1.1 耐磨環(huán)的種類

離心泵耐磨環(huán)有兩種：葉輪吸入側(cè)耐磨環(huán)和葉輪后側(cè)耐磨環(huán)（位于單吸葉輪后蓋板處）。而吸入側(cè)和后側(cè)耐磨環(huán)又分為：殼體耐磨環(huán)和葉輪耐磨環(huán)。詳見圖1。

圖1 耐磨環(huán)布置示意圖

條款6.7.1規(guī)定：……泵殼體內(nèi)部應(yīng)裝有可更換的耐磨環(huán)。葉輪應(yīng)具有整體耐磨表面或可更換的耐磨環(huán)。

也就是說(shuō)：與葉輪配合的殼體上必須裝有可更換的耐磨環(huán)，而葉輪沒(méi)有強(qiáng)制要求安裝。不過(guò)，如果葉輪上不裝可更換的耐磨環(huán)，那么葉輪必須具有整體耐磨表面（可通過(guò)滲氮、滲碳、噴涂等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)“整體耐磨表面”）。

1.2 耐磨環(huán)的用途

條款6.7.1還規(guī)定：（耐磨環(huán)）徑向運(yùn)行間隙用于限制內(nèi)部泄漏，并在必要時(shí)平衡軸向推力……

耐磨環(huán)的具體用途如下：

1）不管是吸入側(cè)還是后側(cè)耐磨環(huán)，它們的主要用途是保護(hù)泵殼體或葉輪免受磨損而導(dǎo)致直接損壞。

2）葉輪吸入側(cè)耐磨環(huán)的設(shè)計(jì)是為了限制葉輪出口高壓流體返回到低壓吸入側(cè)的泵送流量，如果耐磨環(huán)處的間隙過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致泄漏量的增加、效率的降低。

3）后側(cè)耐磨環(huán)（如果有）通常與平衡孔配合使用（平衡孔穿過(guò)葉輪后蓋板與葉輪吸入口相通），以降低葉輪背部的壓力，從而降低泵轉(zhuǎn)子的軸向推力（及密封腔壓力）。

4）耐磨環(huán)產(chǎn)生的Lomakin效應(yīng)有利于提高泵運(yùn)行的可靠性。

5）耐磨環(huán)還可以提高泵軸的剛度，延長(zhǎng)零部件（軸承和機(jī)械密封）的使用壽命。

2 耐磨環(huán)結(jié)構(gòu)型式、大小及固定

2.1 耐磨環(huán)的結(jié)構(gòu)型式

最常用的結(jié)構(gòu)型式為：圓環(huán)形，耐磨表面一般為光面。

為了增加過(guò)流阻力，減小泄漏量，有些公司會(huì)在配合耐磨表面上加工環(huán)形槽，有的增加反向螺旋槽。而KSB公司在殼體耐磨環(huán)內(nèi)表面采用了獨(dú)特的蜂窩狀結(jié)構(gòu)（為KSB公司專利設(shè)計(jì)，見圖2），該結(jié)構(gòu)具有以下顯著特點(diǎn)：

1）泄漏量低，效率高，從而降低了運(yùn)營(yíng)成本。

2）耐磨環(huán)損壞風(fēng)險(xiǎn)低，壽命長(zhǎng)。

3）對(duì)固體顆粒不敏感，抗咬合性能高。

4）蜂窩狀耐磨環(huán)（具有輔助軸承作用）可產(chǎn)生最佳的“Lomakin”效應(yīng)*- 改善轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性，從而提高轉(zhuǎn)子運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖2 蜂窩狀耐磨環(huán)

Lomakin效應(yīng)：

耐磨環(huán)是泵葉輪出口壓力和吸入壓力之間的屏障，通過(guò)該屏障的壓差產(chǎn)生穿過(guò)耐磨環(huán)間隙的軸向液體流。

泵轉(zhuǎn)子承受多種載荷，如轉(zhuǎn)子重量、水力壓力和不平衡引起的力等，導(dǎo)致軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子偏離中心。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，通過(guò)耐磨環(huán)的軸向流量會(huì)發(fā)生變化，間隙較大的一側(cè)的流量和流速較高，而間隙較小的一側(cè)的流量和流速較低。正如機(jī)翼上下因氣流存在流速差而使飛機(jī)得到提升的原理一樣，泵耐磨環(huán)處相對(duì)流速的差異會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流速低指向流速高的校正力。由這些力產(chǎn)生的剛度稱為L(zhǎng)omakin效應(yīng)。

2.2 耐磨環(huán)的大小

通常，為了便于維護(hù)、管理，葉輪兩側(cè)的耐磨環(huán)普遍采用等直徑設(shè)計(jì)。

實(shí)際工程應(yīng)用中，在考慮節(jié)能和采用最小運(yùn)轉(zhuǎn)間隙的同時(shí)，國(guó)際上很多知名的泵制造商（如德國(guó)KSB公司、日本EBARA公司等），對(duì)于一些重要場(chǎng)合用較大型的單級(jí)、雙吸徑向剖分式BB2型離心泵，葉輪兩側(cè)的耐磨環(huán)采用不等直徑設(shè)計(jì)，人為造成輕微的軸向力，確保運(yùn)行過(guò)程中泵軸始終處于拉伸狀態(tài)，從而避免運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向竄動(dòng)、動(dòng)/靜零部件之間發(fā)生摩擦，有利于提高泵的運(yùn)行可靠性、零部件的壽命及臨界轉(zhuǎn)速。

2.3 耐磨環(huán)的固定

耐磨環(huán)的固定方式有多種，標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定。

條款6.7.3 如果使用可更換的耐磨環(huán)，則應(yīng)通過(guò)鎖緊銷或騎縫螺釘（軸向或徑向）固定，或通過(guò)點(diǎn)焊來(lái)固定。在耐磨環(huán)上裝徑向鎖緊銷或騎縫螺釘?shù)目讖讲粦?yīng)大于耐磨環(huán)寬度的三分之一。

3 耐磨環(huán)材料

3.1 材料選用依據(jù)

配合使用的耐磨環(huán)（殼體耐磨環(huán)與葉輪耐磨環(huán)）或耐磨表面（殼體耐磨環(huán)與葉輪）可以采用同種材料，也可以采用不同的材料。耐磨環(huán)材料的選擇主要由以下因素決定的：

1）泵送介質(zhì)（溫度、濃度、密度、PH值、雜質(zhì)及固體含量等）；

2）可能出現(xiàn)的異常工況；

3）同種介質(zhì)以前使用的材料（經(jīng)驗(yàn)）；

4）加工工藝及制造能力；

5）使用壽命要求；

6）環(huán)保、市場(chǎng)因素等。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

表H.1 給出了不同材料等級(jí)離心泵耐磨環(huán)所推薦使用的材料，例如S-6等級(jí)，推薦的耐磨環(huán)材料為12%鉻鋼（硬化）；A-7等級(jí)，推薦的耐磨環(huán)材料為奧氏體不銹鋼（硬面處理）。同時(shí)，對(duì)于奧氏體不銹鋼耐磨環(huán)的硬面處理增加了備注說(shuō)明：除非另有規(guī)定，對(duì)每種具體應(yīng)用條件是否需要采取硬面處理和特殊的硬面覆蓋材料，應(yīng)當(dāng)由賣方?jīng)Q定并且在報(bào)價(jià)單中加以說(shuō)明。硬面處理的替代辦法可以包括加大運(yùn)轉(zhuǎn)間隙（見條款6.7.4）或采用無(wú)咬合傾向的材料，這應(yīng)取決于泵送液體的腐蝕性而定。

另外，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于由可硬化材料制造的耐磨環(huán)，要求配合的耐磨表面之間必須具有一定的硬度差或硬度，如條款6.7.2 由可硬化材料制造的配合耐磨表面應(yīng)當(dāng)具有一個(gè)至少50布氏硬度差，除非靜止和旋轉(zhuǎn)的耐磨表面都具有至少400布氏硬度。

對(duì)于介質(zhì)中含濕硫化氫的工況，標(biāo)準(zhǔn)要求過(guò)流零件的屈服強(qiáng)度不允許超過(guò)620 N/mm2和洛氏硬度不超過(guò)HRC22。但必須注意：耐磨環(huán)不屬于降低硬度的零件。

3.3 幾種特殊工況耐磨環(huán)（材料）應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)：

當(dāng)耐磨環(huán)材料為高咬合趨勢(shì)的奧氏體不銹鋼時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)僅要求進(jìn)行硬面處理，至于采用何種方式的硬面處理沒(méi)有要求。實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于奧氏體不銹鋼，硬面處理通常具有以下幾種方式：滲氮、滲碳、電鍍或化學(xué)鍍、噴涂（硬質(zhì)材料）、堆焊（硬質(zhì)合金）、3D打印等。

1）碳酸鹽泵

介質(zhì)：K2CO3（含KHCO3）；溫度：< 130℃；比重：1.26；標(biāo)準(zhǔn)推薦的材料等級(jí)為A-7。

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，殼體耐磨環(huán)和葉輪耐磨環(huán)推薦的材料為沉淀硬化不銹鋼（硬化）05Cr17Ni4Cu4Nb。

2）液化氣泵

介質(zhì)：液化氣；溫度：-45 ~ -20℃；標(biāo)準(zhǔn)推薦材料等級(jí)S-6（低溫碳鋼）。

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，殼體耐磨環(huán)和葉輪耐磨環(huán)推薦的材料為奧氏體不銹鋼（硬面處理）06Cr19Ni10。

3）高溫工況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，高溫工況（如260℃以上），對(duì)于咬合傾向較大的耐磨環(huán)，不僅需要在表6的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大耐磨環(huán)間隙，而且特別注意：與殼體或葉輪配合的耐磨環(huán)應(yīng)盡可能采用同類材質(zhì)，以免在高溫工況下因熱膨脹（系數(shù)）不同而使耐磨環(huán)出現(xiàn)松動(dòng)，進(jìn)而引起泵振動(dòng)和噪音的增加。

4）煤化工工況

介質(zhì)：水（含固體顆粒及H2S）；溫度：< 120 ℃；材料等級(jí)C-6。

煤化工工況最大的特點(diǎn)是：介質(zhì)對(duì)過(guò)流零部件的沖刷磨蝕/腐蝕非常厲害，特別是耐磨環(huán)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，按標(biāo)準(zhǔn)推薦（選用的12 % 鉻鋼淬火）材料制作的耐磨環(huán)，使用壽命僅2~3個(gè)月，這不僅給現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)帶來(lái)了極大不便，而且大大增加了用戶的維護(hù)費(fèi)用。

前些年，由于制造工藝水平的制約，采用傳統(tǒng)的（在馬氏體機(jī)體上堆焊硬質(zhì)合金）技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。隨著科技術(shù)的進(jìn)步，新的技術(shù)、新的工藝不斷涌現(xiàn)，例如：可以在馬氏體耐磨環(huán)上噴涂硬質(zhì)合金，或者通過(guò)3D打印的方式將兩種材料糅合到一起來(lái)提供耐磨環(huán)的壽命。

3.4 非金屬耐磨環(huán)的應(yīng)用

十多年前，非金屬耐磨環(huán)就已在國(guó)外離心泵行業(yè)、特別是工廠舊泵改造中得到了大量的應(yīng)用。例如，美國(guó)Greene Tweed公司所開發(fā)的WR系列非金屬?gòu)?fù)合材料，在耐磨環(huán)、節(jié)流襯套、多級(jí)泵平衡機(jī)構(gòu)及推力盤、軸承、葉輪的應(yīng)用上具有廣泛的運(yùn)行業(yè)績(jī)。該材料具有優(yōu)異的耐磨性、耐化學(xué)性，熱膨脹和（液體）膨脹系數(shù)低，允許短時(shí)間干磨，可以避免金屬耐磨環(huán)之間出現(xiàn)卡住的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了MTBR。同時(shí)，可以大幅減小非金屬耐磨環(huán)的運(yùn)行間隙。減小的間隙，不僅使泄漏量最小化，從而大大提高泵的整體性能（提高效率、改善吸入性能-不易發(fā)生汽蝕）；而且增加了泵轉(zhuǎn)子的阻尼和剛度（減少軸的跳動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和振動(dòng)），其所產(chǎn)生的Lomakin效應(yīng)，可大大提高轉(zhuǎn)子運(yùn)行的可靠性、并延長(zhǎng)泵的使用壽命。

3.5 非金屬耐磨環(huán)材料的選擇

在選擇非金屬耐磨環(huán)材料時(shí)，應(yīng)考慮到所有運(yùn)行工況（包括非設(shè)計(jì)運(yùn)行工況、瞬態(tài)閃蒸工況等）耐磨環(huán)可能會(huì)發(fā)生的情況，例如旋轉(zhuǎn)和靜止零部件之間可能會(huì)承受重負(fù)荷的接觸、耐磨環(huán)可能會(huì)承受沖擊載荷；如果泵干運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生熱量，當(dāng)通過(guò)耐磨環(huán)的液體泄漏量恢復(fù)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生熱沖擊。為了承受這些力，需要考慮的一些材料特性包括耐磨性、抗沖擊性、耐熱沖擊性、熱膨脹和液脹系數(shù)。沒(méi)有一種材料是堅(jiān)不可摧的，但考慮到上述因素，非金屬耐磨環(huán)在所有情況下都應(yīng)保持完整，但最極端的非設(shè)計(jì)事件除外。

4 耐磨環(huán)間隙的確定

4.1 影響耐磨環(huán)間隙的因素

影響耐磨環(huán)間隙大小的因素較多，主要有以下幾個(gè)因素：

1）泵送介質(zhì)（溫度、濃度、密度、PH值、雜質(zhì)及固體含量等）；

2）耐磨環(huán)材料（特性）；

3）轉(zhuǎn)子的撓度（由重量、徑向力及不平衡力等引起）；

4）泵的效率；

5）比轉(zhuǎn)速；

6）泵體結(jié)構(gòu)型式；

7）運(yùn)行方式（包括連續(xù)運(yùn)行、間歇運(yùn)行和/或頻繁啟動(dòng)）。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

條款6.7.4

a) 在確定耐磨環(huán)和其它旋轉(zhuǎn)部件之間的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙時(shí)，應(yīng)考慮泵送溫度、吸入條件、泵送介質(zhì)的特性、材料的熱膨脹和材料的咬合特性以及泵的效率。間隙應(yīng)足夠大，以保證在所有規(guī)定工況下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)和避免咬合。

b) 對(duì)于鑄鐵、青銅、經(jīng)硬化處理的馬氏體不銹鋼以及具有類似低咬合傾向的材料，應(yīng)采用表6中所列的最小間隙。對(duì)于咬合傾向較大的材料和介質(zhì)溫度大于260℃的各種材料，應(yīng)當(dāng)在上述直徑間隙的基礎(chǔ)上再加125 μm。

c) 對(duì)于有非常低或沒(méi)有咬合傾向的非金屬耐磨環(huán)材料（見表H.3），賣方可以建議采用低于表6中所列值的間隙。應(yīng)考慮到諸如變形和熱梯度的因素。間隙應(yīng)足夠大，以保證在所有規(guī)定的工況下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)和避免咬合。

標(biāo)準(zhǔn)表6以15 mm的增量，提供了旋轉(zhuǎn)耐磨表面直徑從小于50 mm到650 mm所推薦的最小直徑間隙值。

4.3 工程應(yīng)用建議及案例

1）無(wú)參考依據(jù)的老產(chǎn)品

對(duì)于很多老產(chǎn)品，制造商可能早已停產(chǎn)、甚至制造商已不存在，在無(wú)法得到耐磨表面尺寸或間隙數(shù)據(jù)的情況下，可以使用標(biāo)準(zhǔn)表6中的最小運(yùn)轉(zhuǎn)間隙作為參考依據(jù)。

2）高咬合趨勢(shì)材料

對(duì)于高咬合趨勢(shì)的材料（如奧氏體不銹鋼耐磨環(huán)），在石化流程應(yīng)用工況，EBARA公司通常采用加大間隙的方式來(lái)避免動(dòng)/靜零部件之間的咬合、提高泵運(yùn)行可靠性。

3）低或無(wú)咬合趨勢(shì)材料

對(duì)于低或無(wú)咬合趨勢(shì)的非金屬耐磨環(huán)材料，過(guò)去的20~30年的許多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，其間隙可以比標(biāo)準(zhǔn)推薦最小值低很多。

案例1：對(duì)北美煉油廠61臺(tái)泵更換間隙減小的非金屬耐磨環(huán)后的維修數(shù)據(jù)、振動(dòng)及密封泄漏的研究結(jié)果，見表1 [1]。

表1. 煉油廠61臺(tái)泵更換間隙減小的非金屬耐磨環(huán)后的使用情況

案例2：文獻(xiàn)[1]還研究了不同比轉(zhuǎn)速、不同間隙減少所帶來(lái)的泵最佳效率點(diǎn)效率的提升值，詳見表2。

表2. 不同比轉(zhuǎn)速、不同間隙泵在最佳效率點(diǎn)效率的提升

4）比轉(zhuǎn)速

對(duì)于低比轉(zhuǎn)速的葉輪，由于其在較低的相對(duì)流量下產(chǎn)生更高的揚(yáng)程，因此其耐磨環(huán)的間隙尺寸比高比轉(zhuǎn)速葉輪對(duì)泵效率的影響更大。因?yàn)檫@種葉輪具有更大的壓差，所以與高比轉(zhuǎn)速葉輪相比，在同等間隙（面積）的情況下，通過(guò)間隙的泄漏量占泵總流量的百分比更大。為此，實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于具有節(jié)能要求的泵，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)拇胧ɡ?，采用剛性軸設(shè)計(jì)– 降低轉(zhuǎn)子撓度，減小耐磨環(huán)間隙；選用非金屬材料的耐磨環(huán)– 減小耐磨環(huán)間隙；提高比轉(zhuǎn)速– 增加泵級(jí)數(shù)，降低壓差等）來(lái)降低泄漏量。

5）泵體結(jié)構(gòu)型式

KSB公司用于能源行業(yè)的雙殼體、臥式、多級(jí)、可抽芯型離心泵，其內(nèi)殼體非常獨(dú)特地按照轉(zhuǎn)子的撓度進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖3）。該結(jié)構(gòu)具有以下兩大突出優(yōu)點(diǎn)：

- 可以最小化動(dòng)/靜零部件之間的間隙，提高泵的效率。

- 避免在啟動(dòng)、停機(jī)及運(yùn)行（尤其是在低轉(zhuǎn)速盤車時(shí)）過(guò)程中轉(zhuǎn)子與靜止零部件之間的接觸摩擦、（咬合）抱軸。特別是用于頻繁啟停的工況，可以大大提高零部件的使用壽命。

圖3 按照轉(zhuǎn)子撓度設(shè)計(jì)的內(nèi)殼體示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

適當(dāng)?shù)哪湍キh(huán)間隙、合適的材料及合理的結(jié)構(gòu)是確保泵高效和可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，本文為泵制造商及廣大用戶提供了一些可參考的建議和經(jīng)驗(yàn)。

6 參考文獻(xiàn)

[1] Robert Aronen, Boulden International, The Power of Wear Rings, PUMPs & SYSTEMS, March 2011

作者簡(jiǎn)介：趙正華，上海電氣凱士比核電泵閥有限公司技術(shù)中心，工程師