尽管耐磨环（也称为“口环”）属于离心泵中的易损件，但是如果设计（包括材料的选用）不合理，不仅直接影响到离心泵的安全可靠运行，而且还会影响到泵的运行效率和使用寿命。
经常有朋友问我：耐磨环有何用途？如何确定离心泵耐磨环的间隙？影响耐磨环间隙的因素有哪些？如何选用合适的耐磨环材料？
本文将结合ANSI/API 610第11版标准（以下简称“标准”）及工程实践经验，从耐磨环的用途、结构、材料、间隙等方面就“如何合理设计离心泵耐磨环”给出较系统、全面的建议，仅供广大同行、特别是用户参考。
注：本文中所涉及的条款、表及图号均指ANSI/API 610第11版标准所对应的条款、表及图号。
1 耐磨环的种类和用途
1.1 耐磨环的种类
离心泵耐磨环有两种：叶轮吸入侧耐磨环和叶轮后侧耐磨环（位于单吸叶轮后盖板处）。而吸入侧和后侧耐磨环又分为：壳体耐磨环和叶轮耐磨环。详见图1。
图1 耐磨环布置示意图
条款6.7.1规定：……泵壳体内部应装有可更换的耐磨环。叶轮应具有整体耐磨表面或可更换的耐磨环。
也就是说：与叶轮配合的壳体上必须装有可更换的耐磨环，而叶轮没有强制要求安装。不过，如果叶轮上不装可更换的耐磨环，那么叶轮必须具有整体耐磨表面（可通过渗氮、渗碳、喷涂等方式来实现“整体耐磨表面”）。
1.2 耐磨环的用途
条款6.7.1还规定：（耐磨环）径向运行间隙用于限制内部泄漏，并在必要时平衡轴向推力……
耐磨环的具体用途如下：
1）不管是吸入侧还是后侧耐磨环，它们的主要用途是保护泵壳体或叶轮免受磨损而导致直接损坏。
2）叶轮吸入侧耐磨环的设计是为了限制叶轮出口高压流体返回到低压吸入侧的泵送流量，如果耐磨环处的间隙过大，将会导致泄漏量的增加、效率的降低。
3）后侧耐磨环（如果有）通常与平衡孔配合使用（平衡孔穿过叶轮后盖板与叶轮吸入口相通），以降低叶轮背部的压力，从而降低泵转子的轴向推力（及密封腔压力）。
4）耐磨环产生的Lomakin效应有利于提高泵运行的可靠性。
5）耐磨环还可以提高泵轴的刚度，延长零部件（轴承和机械密封）的使用寿命。
2 耐磨环结构型式、大小及固定
2.1 耐磨环的结构型式
最常用的结构型式为：圆环形，耐磨表面一般为光面。
为了增加过流阻力，减小泄漏量，有些公司会在配合耐磨表面上加工环形槽，有的增加反向螺旋槽。而KSB公司在壳体耐磨环内表面采用了独特的蜂窝状结构（为KSB公司专利设计，见图2），该结构具有以下显著特点：
1）泄漏量低，效率高，从而降低了运营成本。
2）耐磨环损坏风险低，寿命长。
3）对固体颗粒不敏感，抗咬合性能高。
4）蜂窝状耐磨环（具有辅助轴承作用）可产生最佳的“Lomakin”效应*- 改善转子的动力特性，从而提高转子运行的稳定性。
图2 蜂窝状耐磨环
Lomakin效应：
耐磨环是泵叶轮出口压力和吸入压力之间的屏障，通过该屏障的压差产生穿过耐磨环间隙的轴向液体流。
泵转子承受多种载荷，如转子重量、水力压力和不平衡引起的力等，导致轴发生偏转，转子偏离中心。当这种情况发生时，通过耐磨环的轴向流量会发生变化，间隙较大的一侧的流量和流速较高，而间隙较小的一侧的流量和流速较低。正如机翼上下因气流存在流速差而使飞机得到提升的原理一样，泵耐磨环处相对流速的差异会产生一个由流速低指向流速高的校正力。由这些力产生的刚度称为Lomakin效应。
2.2 耐磨环的大小
通常，为了便于维护、管理，叶轮两侧的耐磨环普遍采用等直径设计。
实际工程应用中，在考虑节能和采用最小运转间隙的同时，国际上很多知名的泵制造商（如德国KSB公司、日本EBARA公司等），对于一些重要场合用较大型的单级、双吸径向剖分式BB2型离心泵，叶轮两侧的耐磨环采用不等直径设计，人为造成轻微的轴向力，确保运行过程中泵轴始终处于拉伸状态，从而避免运行过程中转子发生轴向窜动、动/静零部件之间发生摩擦，有利于提高泵的运行可靠性、零部件的寿命及临界转速。
2.3 耐磨环的固定
耐磨环的固定方式有多种，标准中有明确规定。
条款6.7.3 如果使用可更换的耐磨环，则应通过锁紧销或骑缝螺钉（轴向或径向）固定，或通过点焊来固定。在耐磨环上装径向锁紧销或骑缝螺钉的孔径不应大于耐磨环宽度的三分之一。
3 耐磨环材料
3.1 材料选用依据
配合使用的耐磨环（壳体耐磨环与叶轮耐磨环）或耐磨表面（壳体耐磨环与叶轮）可以采用同种材料，也可以采用不同的材料。耐磨环材料的选择主要由以下因素决定的：
1）泵送介质（温度、浓度、密度、PH值、杂质及固体含量等）；
2）可能出现的异常工况；
3）同种介质以前使用的材料（经验）；
4）加工工艺及制造能力；
5）使用寿命要求；
6）环保、市场因素等。
3.2 标准规定
表H.1 给出了不同材料等级离心泵耐磨环所推荐使用的材料，例如S-6等级，推荐的耐磨环材料为12%铬钢（硬化）；A-7等级，推荐的耐磨环材料为奥氏体不锈钢（硬面处理）。同时，对于奥氏体不锈钢耐磨环的硬面处理增加了备注说明：除非另有规定，对每种具体应用条件是否需要采取硬面处理和特殊的硬面覆盖材料，应当由卖方决定并且在报价单中加以说明。硬面处理的替代办法可以包括加大运转间隙（见条款6.7.4）或采用无咬合倾向的材料，这应取决于泵送液体的腐蚀性而定。
另外，标准对于由可硬化材料制造的耐磨环，要求配合的耐磨表面之间必须具有一定的硬度差或硬度，如条款6.7.2 由可硬化材料制造的配合耐磨表面应当具有一个至少50布氏硬度差，除非静止和旋转的耐磨表面都具有至少400布氏硬度。
对于介质中含湿硫化氢的工况，标准要求过流零件的屈服强度不允许超过620 N/mm2和洛氏硬度不超过HRC22。但必须注意：耐磨环不属于降低硬度的零件。
3.3 几种特殊工况耐磨环（材料）应用经验：
当耐磨环材料为高咬合趋势的奥氏体不锈钢时，标准仅要求进行硬面处理，至于采用何种方式的硬面处理没有要求。实际工程应用中，对于奥氏体不锈钢，硬面处理通常具有以下几种方式：渗氮、渗碳、电镀或化学镀、喷涂（硬质材料）、堆焊（硬质合金）、3D打印等。
1）碳酸盐泵
介质：K2CO3（含KHCO3）；温度：< 130℃；比重：1.26；标准推荐的材料等级为A-7。
根据实际工程应用经验，壳体耐磨环和叶轮耐磨环推荐的材料为沉淀硬化不锈钢（硬化）05Cr17Ni4Cu4Nb。
2）液化气泵
介质：液化气；温度：-45 ~ -20℃；标准推荐材料等级S-6（低温碳钢）。
根据实际工程应用经验，壳体耐磨环和叶轮耐磨环推荐的材料为奥氏体不锈钢（硬面处理）06Cr19Ni10。
3）高温工况
根据标准要求，高温工况（如260℃以上），对于咬合倾向较大的耐磨环，不仅需要在表6的基础上适当加大耐磨环间隙，而且特别注意：与壳体或叶轮配合的耐磨环应尽可能采用同类材质，以免在高温工况下因热膨胀（系数）不同而使耐磨环出现松动，进而引起泵振动和噪音的增加。
4）煤化工工况
介质：水（含固体颗粒及H2S）；温度：< 120 ℃；材料等级C-6。
煤化工工况最大的特点是：介质对过流零部件的冲刷磨蚀/腐蚀非常厉害，特别是耐磨环。根据现场反馈，按标准推荐（选用的12 % 铬钢淬火）材料制作的耐磨环，使用寿命仅2~3个月，这不仅给现场维护带来了极大不便，而且大大增加了用户的维护费用。
前些年，由于制造工艺水平的制约，采用传统的（在马氏体机体上堆焊硬质合金）技术无法实现。随着科技术的进步，新的技术、新的工艺不断涌现，例如：可以在马氏体耐磨环上喷涂硬质合金，或者通过3D打印的方式将两种材料糅合到一起来提供耐磨环的寿命。
3.4 非金属耐磨环的应用
十多年前，非金属耐磨环就已在国外离心泵行业、特别是工厂旧泵改造中得到了大量的应用。例如，美国Greene Tweed公司所开发的WR系列非金属复合材料，在耐磨环、节流衬套、多级泵平衡机构及推力盘、轴承、叶轮的应用上具有广泛的运行业绩。该材料具有优异的耐磨性、耐化学性，热膨胀和（液体）膨胀系数低，允许短时间干磨，可以避免金属耐磨环之间出现卡住的风险，延长了MTBR。同时，可以大幅减小非金属耐磨环的运行间隙。减小的间隙，不仅使泄漏量最小化，从而大大提高泵的整体性能（提高效率、改善吸入性能-不易发生汽蚀）；而且增加了泵转子的阻尼和刚度（减少轴的跳动、偏转和振动），其所产生的Lomakin效应，可大大提高转子运行的可靠性、并延长泵的使用寿命。
3.5 非金属耐磨环材料的选择
在选择非金属耐磨环材料时，应考虑到所有运行工况（包括非设计运行工况、瞬态闪蒸工况等）耐磨环可能会发生的情况，例如旋转和静止零部件之间可能会承受重负荷的接触、耐磨环可能会承受冲击载荷；如果泵干运转，会产生热量，当通过耐磨环的液体泄漏量恢复时，可能会发生热冲击。为了承受这些力，需要考虑的一些材料特性包括耐磨性、抗冲击性、耐热冲击性、热膨胀和液胀系数。没有一种材料是坚不可摧的，但考虑到上述因素，非金属耐磨环在所有情况下都应保持完整，但最极端的非设计事件除外。
4 耐磨环间隙的确定
4.1 影响耐磨环间隙的因素
影响耐磨环间隙大小的因素较多，主要有以下几个因素：
1）泵送介质（温度、浓度、密度、PH值、杂质及固体含量等）；
2）耐磨环材料（特性）；
3）转子的挠度（由重量、径向力及不平衡力等引起）；
4）泵的效率；
5）比转速；
6）泵体结构型式；
7）运行方式（包括连续运行、间歇运行和/或频繁启动）。
4.2 标准规定
条款6.7.4
a) 在确定耐磨环和其它旋转部件之间的运转间隙时，应考虑泵送温度、吸入条件、泵送介质的特性、材料的热膨胀和材料的咬合特性以及泵的效率。间隙应足够大，以保证在所有规定工况下可靠运转和避免咬合。
b) 对于铸铁、青铜、经硬化处理的马氏体不锈钢以及具有类似低咬合倾向的材料，应采用表6中所列的最小间隙。对于咬合倾向较大的材料和介质温度大于260℃的各种材料，应当在上述直径间隙的基础上再加125 μm。
c) 对于有非常低或没有咬合倾向的非金属耐磨环材料（见表H.3），卖方可以建议采用低于表6中所列值的间隙。应考虑到诸如变形和热梯度的因素。间隙应足够大，以保证在所有规定的工况下可靠运转和避免咬合。
标准表6以15 mm的增量，提供了旋转耐磨表面直径从小于50 mm到650 mm所推荐的最小直径间隙值。
4.3 工程应用建议及案例
1）无参考依据的老产品
对于很多老产品，制造商可能早已停产、甚至制造商已不存在，在无法得到耐磨表面尺寸或间隙数据的情况下，可以使用标准表6中的最小运转间隙作为参考依据。
2）高咬合趋势材料
对于高咬合趋势的材料（如奥氏体不锈钢耐磨环），在石化流程应用工况，EBARA公司通常采用加大间隙的方式来避免动/静零部件之间的咬合、提高泵运行可靠性。
3）低或无咬合趋势材料
对于低或无咬合趋势的非金属耐磨环材料，过去的20~30年的许多应用经验表明，其间隙可以比标准推荐最小值低很多。
案例1：对北美炼油厂61台泵更换间隙减小的非金属耐磨环后的维修数据、振动及密封泄漏的研究结果，见表1 [1]。
表1. 炼油厂61台泵更换间隙减小的非金属耐磨环后的使用情况
案例2：文献[1]还研究了不同比转速、不同间隙减少所带来的泵最佳效率点效率的提升值，详见表2。
表2. 不同比转速、不同间隙泵在最佳效率点效率的提升
4）比转速
对于低比转速的叶轮，由于其在较低的相对流量下产生更高的扬程，因此其耐磨环的间隙尺寸比高比转速叶轮对泵效率的影响更大。因为这种叶轮具有更大的压差，所以与高比转速叶轮相比，在同等间隙（面积）的情况下，通过间隙的泄漏量占泵总流量的百分比更大。为此，实际工程应用中，对于具有节能要求的泵，应采用适当的措施（例如，采用刚性轴设计– 降低转子挠度，减小耐磨环间隙；选用非金属材料的耐磨环– 减小耐磨环间隙；提高比转速– 增加泵级数，降低压差等）来降低泄漏量。
5）泵体结构型式
KSB公司用于能源行业的双壳体、卧式、多级、可抽芯型离心泵，其内壳体非常独特地按照转子的挠度进行设计（见图3）。该结构具有以下两大突出优点：
– 可以最小化动/静零部件之间的间隙，提高泵的效率。
– 避免在启动、停机及运行（尤其是在低转速盘车时）过程中转子与静止零部件之间的接触摩擦、（咬合）抱轴。特别是用于频繁启停的工况，可以大大提高零部件的使用寿命。
图3 按照转子挠度设计的内壳体示意图
5 结束语
适当的耐磨环间隙、合适的材料及合理的结构是确保泵高效和可靠运行的基础，本文为泵制造商及广大用户提供了一些可参考的建议和经验。
