電廠閉式水泵振動(dòng)原因分析及處理研究

汪志

摘 要：某電廠閉式水泵運(yùn)行期間出現(xiàn)振動(dòng)大的問題，筆者通過振動(dòng)測(cè)量分析和現(xiàn)場(chǎng)檢查，找出了閉式水泵振動(dòng)大的原因，是轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量不平衡、臺(tái)板不牢固及葉輪安裝偏差綜合作用的結(jié)果。筆者據(jù)此提出了切實(shí)可行的處理方案，使問題得以解決，保證了閉式水泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水泵;振動(dòng);頻率;葉片

中圖分類號(hào)：U464.138.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.004

離心泵作為電力、化工、環(huán)保等領(lǐng)域的主要設(shè)備，在長(zhǎng)期使用過程中，普遍存在振動(dòng)大、密封差、效率低等問題，而振動(dòng)故障問題占的比例最大。

振動(dòng)作為評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行起到重大影響。振動(dòng)超標(biāo)可能引起電機(jī)和管路振動(dòng)，造成軸承等零部件的損壞、連接部件松動(dòng)、基礎(chǔ)裂紋或電機(jī)損壞等。

1 設(shè)備狀況及振動(dòng)測(cè)量

某公司630 MW汽輪機(jī)機(jī)組閉式水系統(tǒng)選用的水泵，是由長(zhǎng)沙天鵝工業(yè)泵股份有限公司提供的離心泵，型號(hào)為IS200—150—400B+。此水泵為懸臂式單級(jí)離心泵，泵體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為0.83 m×0.67 m×0.915 m，泵軸長(zhǎng)0.83 m，軸向水平進(jìn)水，垂直出水，泵軸承為進(jìn)口滾動(dòng)軸承SKF 6311，泵過流部件及葉輪均采用耐磨金屬材料制造。水泵相關(guān)參數(shù)如表1所示。

該廠閉式水泵于2016年11月投入使用，運(yùn)行期間出現(xiàn)振動(dòng)偏大的情況，軸承處振動(dòng)最大達(dá)0.12 mm，懸臂三角支撐處底部臺(tái)板振動(dòng)0.08 mm，通過泵與電機(jī)對(duì)輪重新找中處理后問題仍未解決。而后，聯(lián)系廠家技術(shù)人員對(duì)兩臺(tái)閉式水泵進(jìn)行了解體檢查，水泵葉輪內(nèi)部無裂紋，僅有輕微磨損，更換軸承后，閉式水泵振動(dòng)有所下降，但效果不明顯，振動(dòng)依然偏大。

為正確快速查明閉式水泵異常振動(dòng)的原因，在振動(dòng)故障發(fā)生后，筆者利用MS400（IP65）小神探點(diǎn)檢儀對(duì)閉式水泵進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置選取水泵懸臂軸承處、泵體。通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量，測(cè)得閉式水泵軸承處水平、垂直、軸向振動(dòng)數(shù)據(jù)，如表2所示。泵的振動(dòng)正常值如表3所示。

同時(shí)，選取水泵懸臂軸承處垂直方向振動(dòng)進(jìn)行頻域測(cè)量，所得頻譜數(shù)據(jù)如表4所示。

2 振動(dòng)測(cè)試及原因分析

水泵振動(dòng)的原因是多方面的，泵的轉(zhuǎn)軸通常與電機(jī)軸直接相連，泵的動(dòng)態(tài)性能與電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能相互影響，這要求泵與電機(jī)軸承中心、聯(lián)軸器與軸配合程度、軸本身彎曲度、材質(zhì)、螺栓緊力、彈性塊質(zhì)量等均需符合技術(shù)要求[1]。除此之外，泵葉輪受力狀況與流體狀態(tài)影響較大，流體參數(shù)與泵性能匹配程度，進(jìn)、出口管線布置等，均可影響泵動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定性[2]。

2.1 泵振動(dòng)分析的方法及基本步驟

以每個(gè)體節(jié)點(diǎn)上節(jié)點(diǎn)力或者每個(gè)節(jié)點(diǎn)的偏移作為基本的未知量求解。按照選取基本的未知量的不同，分為偏移法、混合法、力法。選取每個(gè)個(gè)體節(jié)點(diǎn)位偏移作為基本未知量稱為偏移法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)力為基本未知量稱為力法，而選取一部分的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)的偏移為基本未知量稱為混合法。

2.1.1 離散化

從幾何上用面或者線對(duì)將待分析的結(jié)構(gòu)物劃分成有限的個(gè)體，即把結(jié)構(gòu)物作為由有限個(gè)體構(gòu)成的集合體，這就是結(jié)構(gòu)物體離散化。按照結(jié)構(gòu)物的形狀、大小不同和分析要求，選擇的個(gè)體形式不同，一般節(jié)點(diǎn)的設(shè)置是在每個(gè)個(gè)體的邊界上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)和相鄰個(gè)體連接。對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行離散化時(shí)，依據(jù)計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算的精度要求確定劃分每個(gè)個(gè)體的數(shù)目和大小。

2.1.2 個(gè)體的分析

個(gè)體分析的目的是導(dǎo)出個(gè)體的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)偏移之間存在的關(guān)系，即建立個(gè)體的剛度矩陣。分析桿件結(jié)構(gòu)時(shí)，常常以等截面桿作為個(gè)體，并且可以直接運(yùn)用由結(jié)構(gòu)力學(xué)導(dǎo)出的公式得出桿端力和個(gè)體兩端的節(jié)點(diǎn)距離兩者之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

分析彈性力學(xué)中的平面問題時(shí)，采用節(jié)點(diǎn)位移按照一定的函數(shù)關(guān)系表示在每個(gè)平面?zhèn)€體中的任何一個(gè)點(diǎn)的位移，把這種函數(shù)叫做偏移模式或者是偏移的函數(shù)。被選取的位移模式必須確保求解收斂的性質(zhì)，所以，個(gè)體分析的關(guān)鍵是建立合理的位移模式。位移模式確定以后，個(gè)體的剛度矩陣能夠通過彈性力學(xué)的基本方程求解得到[3]。除此以外，要按照靜力學(xué)等效的原則，把作用在每一個(gè)體上的外載荷簡(jiǎn)化到節(jié)點(diǎn)上，由此形成等效的節(jié)點(diǎn)力。

2.1.3 整體的分析

整體的分析是分析由每個(gè)體構(gòu)成整體的結(jié)構(gòu)[4]，其目的是導(dǎo)出整體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)移之間存在的關(guān)系，即建立結(jié)構(gòu)整體的剛度矩陣。整體的分析的基本步驟：首先，按照一定的集成原則將每個(gè)體剛度矩陣組合成整體的剛度矩陣，并把個(gè)體等效的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷通過一定的規(guī)則集合成整體的等效節(jié)點(diǎn)的外負(fù)荷列矩陣;其次，引入結(jié)構(gòu)偏移的邊界條件，對(duì)整體的平衡方程求解，得到基本的未知量個(gè)體節(jié)點(diǎn)的偏移列矩陣;最后，通過計(jì)算，求解個(gè)體的變形和內(nèi)力。

2.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

轉(zhuǎn)子不平衡由于有偏心質(zhì)量m和偏心距e的存在，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力[5]。離心力的大小與偏心質(zhì)量m、偏心距e及旋轉(zhuǎn)角速度ω有關(guān)，即F=meω2。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，離心力方向改變一次，因此不平衡振動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致，表現(xiàn)為以1倍頻振動(dòng)分量為主[6]。

由閉式水泵振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)表2中的頻譜可以看出，該廠閉式水泵振動(dòng)主要是1倍頻成分，占比85.4%，2倍頻占比較小。這表明，水泵振動(dòng)偏大并非由聯(lián)軸器不對(duì)中引起，而是由轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的[7]。根據(jù)這一特征，再次全面檢查水泵，水泵葉輪完好，無裂紋、汽蝕以及明顯的磨損情況，但發(fā)現(xiàn)水泵側(cè)聯(lián)軸器爪子內(nèi)有多個(gè)不規(guī)則的平衡孔，而電機(jī)側(cè)聯(lián)軸器爪子完整，如圖1所示。通常，水泵葉輪高速動(dòng)平衡時(shí)一般不帶聯(lián)軸器，此平衡孔極可能是聯(lián)軸器本身平衡時(shí)遺留下來的，為避免聯(lián)軸器質(zhì)量不平衡導(dǎo)致水泵振動(dòng)，筆者就重新更換了一套新的聯(lián)軸器。

2.3 支撐系統(tǒng)不穩(wěn)

該廠閉式水泵為懸臂式離心泵，其支撐系統(tǒng)包括軸承三角支撐、基礎(chǔ)底座、臺(tái)板等，水泵支撐系統(tǒng)狀態(tài)是否牢固穩(wěn)定，關(guān)系到水泵的安全運(yùn)行[8]。支撐系統(tǒng)的故障，一般有剛度不足、螺栓松動(dòng)等，影響支撐系統(tǒng)剛度的因素主要有連接剛度和結(jié)構(gòu)等，主要表現(xiàn)為臺(tái)板振動(dòng)大[9]。

振動(dòng)測(cè)量對(duì)閉式水泵軸承架和基礎(chǔ)各部分位置，發(fā)現(xiàn)軸承三角架底部臺(tái)板振動(dòng)較大，振動(dòng)約85 um。檢查出軸承三角架一邊的安裝螺釘有松動(dòng)，使整個(gè)軸承架的另一邊為支點(diǎn)進(jìn)行擺振，處理后振動(dòng)下降約10 um，但仍然超標(biāo)。

離心泵的基礎(chǔ)底座及錨固件通常澆筑在混凝土中，設(shè)備本身及外圍設(shè)備運(yùn)行時(shí)，各種振動(dòng)通過基座相互影響[10]。對(duì)比該廠兩臺(tái)機(jī)臺(tái)板，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)大的這臺(tái)閉式水泵臺(tái)板要比其他臺(tái)板薄10 mm。對(duì)此，為避免基礎(chǔ)底座錨固件松動(dòng)，造成設(shè)備振動(dòng)加劇，甚至引發(fā)共振，就要對(duì)水泵臺(tái)板底部進(jìn)行灌漿處理[11]。

2.4 葉輪安裝及磨損缺陷

葉片通過頻率是泵或風(fēng)機(jī)由于流體的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的常見振動(dòng)頻率成分之一[12]。產(chǎn)生葉片通過頻率振動(dòng)的原因通常有葉片通過頻率共振、管路設(shè)計(jì)不合理、葉片未在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行、安裝偏差或運(yùn)行磨損等[13]。葉片通過頻率振動(dòng)是流體機(jī)械的流道內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)誘發(fā)的高頻振動(dòng)，其頻率是整圈葉片數(shù)與轉(zhuǎn)速頻率的乘積，即每根葉片通過流道突變或不連續(xù)處就產(chǎn)生一次壓力脈動(dòng)。

由閉式水泵振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)表2中的頻譜可以看出，該廠閉式水泵振動(dòng)除1倍頻振動(dòng)分量外，還存在較大的7倍頻振動(dòng)分量，占比13.9%。由于該離心泵葉輪葉片設(shè)計(jì)為7片，葉輪解體情況如圖2所示，其葉片通過頻率為轉(zhuǎn)子工頻的7倍，與測(cè)量結(jié)果存在7倍頻振動(dòng)相吻合[14]。因此，該離心泵極可能存在非定常流動(dòng)下產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)引起的葉片通過頻率振動(dòng)。通過解體水泵檢查，最后將該泵可能引起葉片通過頻率振動(dòng)的主要因素確認(rèn)為，軸承跑外圈導(dǎo)致安裝偏差、葉輪與泵殼間隙不均勻兩個(gè)問題，并調(diào)整安裝[15]。

3 處理措施及結(jié)論

從原因分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢查情況看，水泵基礎(chǔ)不牢固、支撐螺栓松動(dòng)、聯(lián)軸器質(zhì)量不平衡、葉輪與泵殼之間間隙不均勻，是導(dǎo)致該廠閉式水泵振動(dòng)大的原因[16]。對(duì)此，筆者經(jīng)過采取臺(tái)板灌漿、緊固螺栓、更換聯(lián)軸器以及調(diào)整葉輪與泵體間隙等措施，最終使閉式水泵振動(dòng)下降至32 um，解決了閉式水泵振動(dòng)大的問題[17]。

通過制造、設(shè)計(jì)與選型工作可以在最大程度上減少離心泵振動(dòng)情況，相關(guān)人員需對(duì)制造、設(shè)計(jì)以及選型工作等給予更多重視和關(guān)注。在實(shí)際施工過程中，可以從以下三方面著手。

第一，設(shè)計(jì)離心泵整機(jī)的過程中，要根據(jù)對(duì)應(yīng)的工藝和工況，確保其符合對(duì)應(yīng)的國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)葉輪和流道時(shí)要充分思考和分析介質(zhì)的物化性質(zhì)，盡可能減少脫流情況出現(xiàn)，確保葉片的個(gè)數(shù)和出口角度選擇合理。設(shè)計(jì)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)時(shí)，要確保結(jié)構(gòu)上具有較好的減震性。設(shè)計(jì)管路時(shí)，要依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，大力減少壓級(jí)，減少損耗[18]。

第二，泵制造過程中，制造人員要正確認(rèn)識(shí)合同和技術(shù)協(xié)議，定期監(jiān)工檢查，特別是其中的隱蔽工序，要落實(shí)監(jiān)督工作，出現(xiàn)問題立刻解決，前一道工序未經(jīng)過驗(yàn)收，禁止進(jìn)入下一道施工工序，每個(gè)項(xiàng)目都要經(jīng)過驗(yàn)收并且合格后才能開展后續(xù)制造。

第三，部件選型過程中，施工人員要正確認(rèn)識(shí)泵設(shè)計(jì)、制造及裝配過程把控，確保力學(xué)結(jié)構(gòu)要求。例如，在機(jī)封選型過程中，要考慮彈簧材料形式、動(dòng)靜環(huán)密封面以及工況的需求。

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