盡管耐磨環（也稱為“口環”）屬于離心泵中的易損件，但是如果設計（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行，而且還會影響到泵的運行效率和使用壽命。

經常有朋友問我：耐磨環有何用途？如何確定離心泵耐磨環的間隙？影響耐磨環間隙的因素有哪些？如何選用合適的耐磨環材料？

本文將結合ANSI/API 610第11版標準（以下簡稱“標準”）及工程實踐經驗，從耐磨環的用途、結構、材料、間隙等方面就“如何合理設計離心泵耐磨環”給出較系統、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、表及圖號均指ANSI/API 610第11版標準所對應的條款、表及圖號。

1 耐磨環的種類和用途

1.1 耐磨環的種類

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

圖1 耐磨環布置示意圖

條款6.7.1規定：……泵殼體內部應裝有可更換的耐磨環。葉輪應具有整體耐磨表面或可更換的耐磨環。

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

1.2 耐磨環的用途

條款6.7.1還規定：（耐磨環）徑向運行間隙用于限制內部泄漏，并在必要時平衡軸向推力……

耐磨環的具體用途如下：

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

2）葉輪吸入側耐磨環的設計是為了限制葉輪出口高壓流體返回到低壓吸入側的泵送流量，如果耐磨環處的間隙過大，將會導致泄漏量的增加、效率的降低。

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

4）耐磨環產生的Lomakin效應有利于提高泵運行的可靠性。

5）耐磨環還可以提高泵軸的剛度，延長零部件（軸承和機械密封）的使用壽命。

2 耐磨環結構型式、大小及固定

2.1 耐磨環的結構型式

最常用的結構型式為：圓環形，耐磨表面一般為光面。

為了增加過流阻力，減小泄漏量，有些公司會在配合耐磨表面上加工環形槽，有的增加反向螺旋槽。而KSB公司在殼體耐磨環內表面采用了獨特的蜂窩狀結構（為KSB公司專利設計，見圖2），該結構具有以下顯著特點：

1）泄漏量低，效率高，從而降低了運營成本。

2）耐磨環損壞風險低，壽命長。

3）對固體顆粒不敏感，抗咬合性能高。

4）蜂窩狀耐磨環（具有輔助軸承作用）可產生最佳的“Lomakin”效應*- 改善轉子的動力特性，從而提高轉子運行的穩定性。

圖2 蜂窩狀耐磨環

Lomakin效應：

耐磨環是泵葉輪出口壓力和吸入壓力之間的屏障，通過該屏障的壓差產生穿過耐磨環間隙的軸向液體流。

泵轉子承受多種載荷，如轉子重量、水力壓力和不平衡引起的力等，導致軸發生偏轉，轉子偏離中心。當這種情況發生時，通過耐磨環的軸向流量會發生變化，間隙較大的一側的流量和流速較高，而間隙較小的一側的流量和流速較低。正如機翼上下因氣流存在流速差而使飛機得到提升的原理一樣，泵耐磨環處相對流速的差異會產生一個由流速低指向流速高的校正力。由這些力產生的剛度稱為Lomakin效應。

2.2 耐磨環的大小

通常，為了便于維護、管理，葉輪兩側的耐磨環普遍采用等直徑設計。

實際工程應用中，在考慮節能和采用最小運轉間隙的同時，國際上很多知名的泵制造商（如德國KSB公司、日本EBARA公司等），對于一些重要場合用較大型的單級、雙吸徑向剖分式BB2型離心泵，葉輪兩側的耐磨環采用不等直徑設計，人為造成輕微的軸向力，確保運行過程中泵軸始終處于拉伸狀態，從而避免運行過程中轉子發生軸向竄動、動/靜零部件之間發生摩擦，有利于提高泵的運行可靠性、零部件的壽命及臨界轉速。

2.3 耐磨環的固定

耐磨環的固定方式有多種，標準中有明確規定。

條款6.7.3 如果使用可更換的耐磨環，則應通過鎖緊銷或騎縫螺釘（軸向或徑向）固定，或通過點焊來固定。在耐磨環上裝徑向鎖緊銷或騎縫螺釘的孔徑不應大于耐磨環寬度的三分之一。

3 耐磨環材料

3.1 材料選用依據

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

1）泵送介質（溫度、濃度、密度、PH值、雜質及固體含量等）；

2）可能出現的異常工況；

3）同種介質以前使用的材料（經驗）；

4）加工工藝及制造能力；

5）使用壽命要求；

6）環保、市場因素等。

3.2 標準規定

表H.1 給出了不同材料等級離心泵耐磨環所推薦使用的材料，例如S-6等級，推薦的耐磨環材料為12%鉻鋼（硬化）；A-7等級，推薦的耐磨環材料為奧氏體不銹鋼（硬面處理）。同時，對于奧氏體不銹鋼耐磨環的硬面處理增加了備注說明：除非另有規定，對每種具體應用條件是否需要采取硬面處理和特殊的硬面覆蓋材料，應當由賣方決定并且在報價單中加以說明。硬面處理的替代辦法可以包括加大運轉間隙（見條款6.7.4）或采用無咬合傾向的材料，這應取決于泵送液體的腐蝕性而定。

另外，標準對于由可硬化材料制造的耐磨環，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當具有一個至少50布氏硬度差，除非靜止和旋轉的耐磨表面都具有至少400布氏硬度。

對于介質中含濕硫化氫的工況，標準要求過流零件的屈服強度不允許超過620 N/mm2和洛氏硬度不超過HRC22。但必須注意：耐磨環不屬于降低硬度的零件。

3.3 幾種特殊工況耐磨環（材料）應用經驗：

當耐磨環材料為高咬合趨勢的奧氏體不銹鋼時，標準僅要求進行硬面處理，至于采用何種方式的硬面處理沒有要求。實際工程應用中，對于奧氏體不銹鋼，硬面處理通常具有以下幾種方式：滲氮、滲碳、電鍍或化學鍍、噴涂（硬質材料）、堆焊（硬質合金）、3D打印等。

1）碳酸鹽泵

介質：K2CO3（含KHCO3）；溫度：< 130℃；比重：1.26；標準推薦的材料等級為A-7。

根據實際工程應用經驗，殼體耐磨環和葉輪耐磨環推薦的材料為沉淀硬化不銹鋼（硬化）05Cr17Ni4Cu4Nb。

2）液化氣泵

介質：液化氣；溫度：-45 ~ -20℃；標準推薦材料等級S-6（低溫碳鋼）。

根據實際工程應用經驗，殼體耐磨環和葉輪耐磨環推薦的材料為奧氏體不銹鋼（硬面處理）06Cr19Ni10。

3）高溫工況

根據標準要求，高溫工況（如260℃以上），對于咬合傾向較大的耐磨環，不僅需要在表6的基礎上適當加大耐磨環間隙，而且特別注意：與殼體或葉輪配合的耐磨環應盡可能采用同類材質，以免在高溫工況下因熱膨脹（系數）不同而使耐磨環出現松動，進而引起泵振動和噪音的增加。

4）煤化工工況

介質：水（含固體顆粒及H2S）；溫度：< 120 ℃；材料等級C-6。

煤化工工況最大的特點是：介質對過流零部件的沖刷磨蝕/腐蝕非常厲害，特別是耐磨環。根據現場反饋，按標準推薦（選用的12 % 鉻鋼淬火）材料制作的耐磨環，使用壽命僅2~3個月，這不僅給現場維護帶來了極大不便，而且大大增加了用戶的維護費用。

前些年，由于制造工藝水平的制約，采用傳統的（在馬氏體機體上堆焊硬質合金）技術無法實現。隨著科技術的進步，新的技術、新的工藝不斷涌現，例如：可以在馬氏體耐磨環上噴涂硬質合金，或者通過3D打印的方式將兩種材料糅合到一起來提供耐磨環的壽命。

3.4 非金屬耐磨環的應用

十多年前，非金屬耐磨環就已在國外離心泵行業、特別是工廠舊泵改造中得到了大量的應用。例如，美國Greene Tweed公司所開發的WR系列非金屬復合材料，在耐磨環、節流襯套、多級泵平衡機構及推力盤、軸承、葉輪的應用上具有廣泛的運行業績。該材料具有優異的耐磨性、耐化學性，熱膨脹和（液體）膨脹系數低，允許短時間干磨，可以避免金屬耐磨環之間出現卡住的風險，延長了MTBR。同時，可以大幅減小非金屬耐磨環的運行間隙。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-不易發生汽蝕）；而且增加了泵轉子的阻尼和剛度（減少軸的跳動、偏轉和振動），其所產生的Lomakin效應，可大大提高轉子運行的可靠性、并延長泵的使用壽命。

3.5 非金屬耐磨環材料的選擇

在選擇非金屬耐磨環材料時，應考慮到所有運行工況（包括非設計運行工況、瞬態閃蒸工況等）耐磨環可能會發生的情況，例如旋轉和靜止零部件之間可能會承受重負荷的接觸、耐磨環可能會承受沖擊載荷；如果泵干運轉，會產生熱量，當通過耐磨環的液體泄漏量恢復時，可能會發生熱沖擊。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。沒有一種材料是堅不可摧的，但考慮到上述因素，非金屬耐磨環在所有情況下都應保持完整，但最極端的非設計事件除外。

4 耐磨環間隙的確定

4.1 影響耐磨環間隙的因素

影響耐磨環間隙大小的因素較多，主要有以下幾個因素：

1）泵送介質（溫度、濃度、密度、PH值、雜質及固體含量等）；

2）耐磨環材料（特性）；

3）轉子的撓度（由重量、徑向力及不平衡力等引起）；

4）泵的效率；

5）比轉速；

6）泵體結構型式；

7）運行方式（包括連續運行、間歇運行和/或頻繁啟動）。

4.2 標準規定

條款6.7.4

a) 在確定耐磨環和其它旋轉部件之間的運轉間隙時，應考慮泵送溫度、吸入條件、泵送介質的特性、材料的熱膨脹和材料的咬合特性以及泵的效率。間隙應足夠大，以保證在所有規定工況下可靠運轉和避免咬合。

b) 對于鑄鐵、青銅、經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，應采用表6中所列的最小間隙。對于咬合傾向較大的材料和介質溫度大于260℃的各種材料，應當在上述直徑間隙的基礎上再加125 μm。

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

標準表6以15 mm的增量，提供了旋轉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 工程應用建議及案例

1）無參考依據的老產品

對于很多老產品，制造商可能早已停產、甚至制造商已不存在，在無法得到耐磨表面尺寸或間隙數據的情況下，可以使用標準表6中的最小運轉間隙作為參考依據。

2）高咬合趨勢材料

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

3）低或無咬合趨勢材料

對于低或無咬合趨勢的非金屬耐磨環材料，過去的20~30年的許多應用經驗表明，其間隙可以比標準推薦最小值低很多。

案例1：對北美煉油廠61臺泵更換間隙減小的非金屬耐磨環后的維修數據、振動及密封泄漏的研究結果，見表1 [1]。

表1. 煉油廠61臺泵更換間隙減小的非金屬耐磨環后的使用情況

案例2：文獻[1]還研究了不同比轉速、不同間隙減少所帶來的泵最佳效率點效率的提升值，詳見表2。

表2. 不同比轉速、不同間隙泵在最佳效率點效率的提升

4）比轉速

對于低比轉速的葉輪，由于其在較低的相對流量下產生更高的揚程，因此其耐磨環的間隙尺寸比高比轉速葉輪對泵效率的影響更大。因為這種葉輪具有更大的壓差，所以與高比轉速葉輪相比，在同等間隙（面積）的情況下，通過間隙的泄漏量占泵總流量的百分比更大。為此，實際工程應用中，對于具有節能要求的泵，應采用適當的措施（例如，采用剛性軸設計– 降低轉子撓度，減小耐磨環間隙；選用非金屬材料的耐磨環– 減小耐磨環間隙；提高比轉速– 增加泵級數，降低壓差等）來降低泄漏量。

5）泵體結構型式

KSB公司用于能源行業的雙殼體、臥式、多級、可抽芯型離心泵，其內殼體非常獨特地按照轉子的撓度進行設計（見圖3）。該結構具有以下兩大突出優點：

- 可以最小化動/靜零部件之間的間隙，提高泵的效率。

- 避免在啟動、停機及運行（尤其是在低轉速盤車時）過程中轉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 按照轉子撓度設計的內殼體示意圖

5 結束語

適當的耐磨環間隙、合適的材料及合理的結構是確保泵高效和可靠運行的基礎，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驗。

6 參考文獻

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

作者簡介：趙正華，上海電氣凱士比核電泵閥有限公司技術中心，工程師