大型懸臂式離心泵故障分析及應(yīng)對(duì)

張迪

（中海油石化工程有限公司，山東濟(jì)南25000）

1 前言

伊拉克南部某油田水處理項(xiàng)目中注水裝置新采購(gòu)單級(jí)離心式輸水泵（以下簡(jiǎn)稱輸水泵），用于給油田脫氣站注水泵輸送水源。該輸水泵采用了API610[1]泵型中的OH2單級(jí)懸臂離心泵，配套額定功率為400KW的工頻電機(jī)。泵的基本參數(shù)為：揚(yáng)程H=184m，流量Q=450m3/h，轉(zhuǎn)速N=2980rpm，供電電壓V=11KV。

輸水泵由魯爾美國(guó)工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)，組裝完成后在車間測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了性能測(cè)試和4小時(shí)的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中先后出現(xiàn)不明原因的軸承箱振動(dòng)超標(biāo)，軸承箱油溫超標(biāo)問(wèn)題。在歷時(shí)一個(gè)多月的拆解、檢測(cè)及反復(fù)測(cè)試后，最終均通過(guò)工廠測(cè)試。分析、解決問(wèn)題的過(guò)程對(duì)于該類型泵的設(shè)計(jì)、測(cè)試運(yùn)行均有一定的參考意義。

2 軸承油溫偏高原因分析

輸水泵將安裝于伊拉克南部油田，該地區(qū)夏季最高氣溫高達(dá)50℃以上，可對(duì)機(jī)械設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。在買、賣雙方達(dá)成的技術(shù)協(xié)議中重點(diǎn)關(guān)注了機(jī)泵運(yùn)行過(guò)程中軸承溫度是否穩(wěn)定，并要求賣方在工廠完成4小時(shí)的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)泵均在連續(xù)運(yùn)行1小時(shí)后，潤(rùn)滑油溫升超過(guò)40℃，溫升超標(biāo)無(wú)法通過(guò)測(cè)試。

買方與賣方共同就潤(rùn)滑油溫升超標(biāo)問(wèn)題從以下幾方面進(jìn)行了分析[5]：

（1）軸承（軸承是否異常磨損、軸承座是否有磨損、軸承壽命分析）

（2）油封（油封是否存在磨損或泄露）

（3）潤(rùn)滑油（潤(rùn)滑油質(zhì)量、潤(rùn)滑油液位及液位視窗高度）

通過(guò)拆解檢查及復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油質(zhì)量符合要求，液位計(jì)視窗高度正常。油封無(wú)可見(jiàn)磨損，見(jiàn)圖1；軸承內(nèi)外側(cè)均未見(jiàn)異常磨損痕跡，見(jiàn)圖2。

圖1 軸承油封拆檢

圖2 滾珠軸承拆檢

根據(jù)泵的運(yùn)行工況，復(fù)核了軸承動(dòng)載荷、等效載荷、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，重新計(jì)算軸承額定壽命，結(jié)果顯示L10額定壽命超過(guò)100000小時(shí)，符合規(guī)范要求。進(jìn)一步對(duì)軸承安裝間隙測(cè)量，測(cè)量結(jié)果符合設(shè)計(jì)間隙公差。

綜合分析各項(xiàng)軸承溫度相關(guān)的影響因素后并未見(jiàn)異常，因此判斷該型號(hào)單級(jí)大流量懸臂泵在該額定工況下具備軸承高能量負(fù)荷的特性。查閱資料發(fā)現(xiàn)大連恒力項(xiàng)目同類型泵在出廠測(cè)試時(shí)遇到過(guò)同樣的問(wèn)題，參考之前的解決辦法，考慮增加軸承箱冷卻裝置。因該泵的安裝位置附近無(wú)冷卻水系統(tǒng)，因此采用軸承箱風(fēng)扇冷卻，風(fēng)扇葉輪與主軸同軸回轉(zhuǎn)。

加裝冷卻風(fēng)扇后再次做機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，泵啟動(dòng)2.2小時(shí)后潤(rùn)滑油溫度穩(wěn)定不再上升，總的潤(rùn)滑油溫升為35℃，未超過(guò)45℃，符合API610規(guī)定。

3 振動(dòng)超標(biāo)原因分析

離心泵的振動(dòng)隨著流量而變化，通常在最佳效率點(diǎn)流量附近其值最小[3]。API610將離心泵的工作流量范圍分為“優(yōu)先工作區(qū)”和“允許工作區(qū)”，要求在性能測(cè)試中測(cè)量相關(guān)試驗(yàn)點(diǎn)5Hz-1000Hz范圍的全振動(dòng)以及快速傅里葉變換（FFT）測(cè)量。臥式懸臂泵在“優(yōu)先工作區(qū)”應(yīng)確保軸承箱總振動(dòng)測(cè)量均方根速度值小于3mm/s，F(xiàn)FT濾波振動(dòng)值小于2.01mm/s。

針對(duì)輸水泵的性能測(cè)試，機(jī)泵在額定工況下軸承箱位置水平徑向總振動(dòng)測(cè)量值為4.97mm/s，明顯超出API610所規(guī)定的3.0mm/s。如該方向振動(dòng)頻譜圖3可見(jiàn)，水平方向?yàn)V波振動(dòng)值為4.33mm/s，出現(xiàn)在1倍頻50Hz附近，同樣嚴(yán)重超出規(guī)范要求的2.01mm/s。

圖3 首次測(cè)試振動(dòng)頻譜

頻譜分析方法根據(jù)頻譜圖中頻率分布特性，可有效判斷振源[4]。該泵僅在1倍頻振動(dòng)超標(biāo)，同時(shí)伴隨軸向振動(dòng)較小，頻譜分析理論一般認(rèn)為該泵可能存在轉(zhuǎn)子不平衡的問(wèn)題。

基于以上分析，項(xiàng)目組對(duì)機(jī)泵拆檢后對(duì)軸承箱進(jìn)行了徹底的沖洗，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器短節(jié)重新進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡略微超過(guò)API610所要求的ISO 1940-1 G2.5級(jí)。詳細(xì)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)子各部件未發(fā)現(xiàn)局部損傷，因此通過(guò)對(duì)葉輪切割打磨調(diào)整轉(zhuǎn)子平衡，最終保證了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡符合要求。

再次完成對(duì)中檢測(cè)后，重新對(duì)該泵進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示各方向振動(dòng)均有改善，但水平方向振動(dòng)依然超標(biāo)。額定工況下軸承箱水平徑向總振動(dòng)檢測(cè)值為3.84mm/s，該方向?yàn)V波振動(dòng)值為2.89mm/s，均超出規(guī)范要求。如下方圖4頻譜圖所示，振動(dòng)主要集中于1倍頻。

圖4 二次測(cè)試振動(dòng)頻譜

綜合分析影響機(jī)泵振動(dòng)的各種因素，考慮該泵試驗(yàn)過(guò)程中可能存在共振。[2]該泵一直在工廠臥式泵標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，采用頻譜儀在軸承箱位置通過(guò)錘擊激勵(lì)檢測(cè)到該泵與試驗(yàn)臺(tái)及管路系統(tǒng)組合體的固有頻率接近該泵額定工況運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，共振是振動(dòng)超標(biāo)另一原因。

為了消除共振的影響，將該泵安裝至工廠的高功率機(jī)泵專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試結(jié)果顯示軸承箱水平方向總振動(dòng)降至2.23mm/s，濾波1倍頻振動(dòng)值降至1.66mm/s，均符合API610規(guī)范要求，順利通過(guò)了最終測(cè)試，頻譜圖見(jiàn)下方圖5。

圖5 最終測(cè)試頻譜圖

綜上分析，該泵振動(dòng)超標(biāo)是由轉(zhuǎn)子不平衡和共振兩種因素混合疊加造成的，在重新完成動(dòng)平衡并更換試驗(yàn)臺(tái)后振動(dòng)問(wèn)題得到了有效解決。

4 結(jié)語(yǔ)

軸承箱油溫和振動(dòng)超標(biāo)是化工離心泵在性能測(cè)試過(guò)程中最常遇到的兩個(gè)問(wèn)題，而這兩項(xiàng)因素又對(duì)泵的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，因此必須在出廠性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)試運(yùn)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注。本文所述的OH2懸臂泵在石油化工行業(yè)應(yīng)用廣泛，分析過(guò)程中所遇到油溫升高過(guò)快、不平衡及共振問(wèn)題都較為典型，問(wèn)題的分析過(guò)程和解決方法對(duì)于今后同類泵具有較強(qiáng)的借鑒意義。