MD155-30×8离心泵故障原因分析及对策

2014-04-08张文

设备管理与维修 2014年2期

张文

（神华神东煤炭集团大柳塔煤矿陕西榆林）

一、概述

大柳塔煤矿活鸡兔井，井下供水系统配有4台多级离心泵，型号MD155-30×8，流量155 m3/h，扬程240 m，配套电机为变频电机，型号YBBP315L-4，功率185 kW，电压660 V。其中2台24 h连续运行，1台备用，1台检修。该泵于2012年8月底改造完毕开始试运行，投入运行1年，离心泵故障频繁，不能稳定运行。发生的故障包括泵轴轴向窜量大，供水设备及管路振动以及导致混凝土基础地脚螺栓松动并且发生2次断轴事故。生产和检修工作非常被动，经过不断分析总结，找到消除多级离心泵故障的对策，彻底改变了设备运行状况。

二、故障原因分析

1.多级离心泵轴向窜量大的原因分析

（1）机械加工精度差及总装误差，造成泵轴窜动量过大。由于在采购管理环节的技术标书中，未能够详细列出零件和整个机组的各种技术要求，致使在加工和总装过程中出现精度差，整机组装过程中未进行严格检测与检验，出现泵轴轴向窜量大。例如，平衡盘及平衡环接触面及泵体密封面的加工精度不够等。

（2）轴向力平衡机构设计不合理。多级离心泵的平衡盘在工作时自动改变平衡盘与平衡环之间的轴向间隙，从而改变平衡盘前后两侧的压差，产生一个与轴向力方向相反的作用力来平衡轴向力。在使用过程中转轴窜动的惯性作用和瞬态离心泵工况的波动，运转的转子不会静止在某一轴向平衡位置。平衡盘始终处在窜动的状态。实际使用时，往往由于泵的轴向力平衡机构设计的不合理，轴向力没有被平衡，这种情况下运行，会加剧平衡盘与平衡环的摩擦磨损，致使转子窜动量进一步加大。转子的挠度大，也会使平衡盘与平衡环接触面之间受力不均匀，造成平衡效果不好，从而造成离心泵轴向窜量急剧增大。

（3）多级离心泵使用轴承选型不合理。离心泵两端轴承都选用滑动圆柱滚子轴承。在多级泵频繁启动、运转及停车过程中，因轴向力过大，会造成转泵轴向窜量大。由于窜量逐渐大，轴承的滚动体与内外圈之间存在一定的偏移，导致滚动体接触面小，单位接触面积压力增加，润滑油膜也将受到破坏，在轴承内部出现干磨擦现象。使润滑油脂受热汽化或炭化结焦，最终使得轴承在高温下烧损。在这种情况下使用，有时甚至出现轴承与轴烧结在一起，致使多级离心泵部分零部件严重损坏的现象。

2.多级离心泵振动的原因分析

（1）转子不平衡。当转子的质心偏离回转轴线时，便会产生偏心质量。高速转动下的转子便会产生方向周期变化的离心力，该力作用在支撑轴承上，便诱发了轴承部位的振动。例如叶轮损坏或堵塞。

（2）机组同轴度调整不良产生振动。一般情况下电机和离心泵通过联轴器实现动力传递。装配时电机和泵轴的同轴度有严格的调整精度要求。在机组运行状态下，同轴度超差会破坏联轴器的平衡状态，为补偿这种偏差，联轴器的挠性原件便会产生交变协调变形，从而产生交变的协调内力，此力作用在泵和电机上，便引起机组振动。

（3）轴承磨损超限引发振动。由于轴承磨损造成内外套间隙变大，转子部件偏心运行，产生振动。这种情况多集中于立式泵。对于滑动轴承，如果轴瓦顶部间隙过小或瓦盖紧力过大，都会造成轴与上瓦的部分接触，接触点的摩擦力作用于转子旋转的相反方向上，迫使转子激烈得振动旋转。这种振动是一种自激振动，与转速无关。如果轴瓦两侧间隙不合适，则无法形成工作油膜，造成干摩擦，也会引起自激振动。

（4）共振。共振是机械振动的一种特殊情况，即当机组的固有频率等于策动力频率时，机组产生强烈振动。机组共振时，理论上其振幅无限放大。但是转动机械实际运行时，由于水力阻尼、材料阻尼等因素的存在，共振振幅只能达到一个有限值。共振存在两种形式：转子部件固有频率接近运行转数时产生的共振，称之为转子共振；支撑基础的固有频率接近运行转数时产生的共振，称之为基础共振。转子共振频率与转子的平衡状态无关，但偏心质量的存在会加剧振动幅值。针对多级离心泵现场实际情况来看，多级离心泵的基础底座及地脚螺栓浇筑在混凝土中。设备本身及外围设备运行时，各种振动通过基座相互影响，情况非常复杂。在某些情况下，可能导致基础底座地脚螺栓松动，造成设备振动加剧，甚至引发设备和管路出现共振。

3.断轴原因分析

（1）泵轴设计不合理。从2次的断轴发现，每次断轴的部位完全一致，均在靠多级离心泵轴伸端第一个轴肩根部，且断轴边缘有清晰的疲劳裂纹台阶，断面无任何旧裂纹痕迹。首先对泵轴本身结构进行分析，实际结果表明，2根断轴的结构设计均不合理，都在离心泵轴伸端的轴肩部位断裂，轴肩与轴颈之间被加工为直角，无过渡圆角，且轴径与轴肩连接根部有一退刀槽。由材料力学知识可知，这一结构容易使轴径变化处受力后产生应力集中。在离心泵高速运转时，泵轴在扭矩和弯矩作用下，其剪应力在轴肩根部产生应力集中，在长期运行过程中，容易在应力集中处萌生裂纹，随着裂纹的发展最终导致轴的断裂。

（2）机组轴心不重合。在现场检测中还发现，4台泵轴心与电机轴心不重合（即两轴不同心），尤其1#、2#机组较为严重。导致这一现象的主要原因是焊接的基础底座严重变形，泵体入水口的管路浇筑于防水的混凝土墙壁中，致使无法通过增加和减少垫片来调整中心高度，导致离心泵无法调平找正。给离心泵调平找正工作带来很大困难。正是由于机组两轴心不重合，就产生了两方面的影响。一方面，当离心泵与电机以2900 r/min的高速运转时，因两轴不同心导致其扭矩加大、轴承损坏加快。当扭矩超过轴的极限允许值或轴承损坏后发现不及时，泵轴就会在最薄弱环节折断。另一方面，当高速运转时，泵体因两轴不同心而产生振动，其振动位移值平均为0.32 mm，远远超过最大允许值。这使泵轴受到较大的交变应力作用，于是就增大了泵轴疲劳破坏的可能性；同时，泵体的振动也相应地缩短了轴承的使用寿命。尤其是在两轴不同心和应力集中的共同作用下，更进一步地加快了轴的断裂。

三、对策

1.采购管理过程中应详细列出零件的质量和技术要求

只有使用质量合格的零部件，才能保证多级离心泵转轴组装后满足各项技术要求的规定，如零件加工精度、静平衡允差，轴的圆柱度、直线度，轴径径向圆跳动、联轴器端面间隙及平行度，基座纵横向水平度、离心泵与电机同轴度等。另外在采购时，离心泵基础底座尽量采用一体的铸铁或铸钢件，不采购焊接基础底座，原因是其强度低、易变形、故障率高且维修困难。

2.合理使用、检查与维修平衡装置

合理地使用轴向力的平衡装置，消除轴向窜量。为了满足这一要求，比较理想的作法有：平衡盘与轴向止推轴承配合使用，由平衡盘来平衡轴向力，由轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位。另外，为了增加平衡盘与平衡环的耐磨性，对材料的选择与热处理都要有严格要求，以保证工作表面有足够的硬度；加强检查，决不能使正在使用中的平衡盘右侧相同的回水管堵死，一旦堵死，平衡盘两边就不存在压力差，平衡盘就失去平衡轴向力的作用，造成平衡盘与平衡环直接摩擦。在日常维护中，要注意疏通平衡盘回水管路，检查平衡盘与平衡环的磨损情况，若磨损严重，要及时更换。

3.调整垫圈厚度缩小窜量

多级离心泵安装过程中，在未安装平衡盘前，原始轴向窜量很大。有时高达5～10 mm，这与设计要求的0.5 mm相差很大。实践证明，利用调整垫圈减少离心泵轴向窜动量非常有效。调整垫圈的位置一般选在平衡盘尾部与叶轮之间，调整垫圈的外径与内径应与平衡盘的尾套尺寸一致，厚度视具体情况而定。方法是拆下平衡盘，把平衡盘尾部的调整垫片去除一部分，若无可以调整的垫片，可以将平衡盘的尾部车去一部分，去除部分的厚度大体上相当于平衡盘与平衡环磨去厚度之和。

4.对机组基础底座补焊加固重新浇注混凝土基础

由于原机组的基础底座为型材焊接，并且焊接质量差，导致基础底座强度低、变形严重，引起设备共振，导致地脚螺栓松动。根据现场实际情况，将振动严重的1#、2#机组拆卸，重新开挖混凝土基础坑，对基础底座进行焊接加固并安装。安装工程中重新梳理安装流程，避免离心泵入口法兰承受外部拉应力。重新浇注混凝土基础并预留地脚螺栓2次浇注坑；将离心泵和电机放置于加固完毕的基础底座上，对其进行调平找正，调整数据在技术文件规定值之内；第一次浇注的基础凝固后，将机组放置于基础之上，利用垫铁粗调机组，连接离心泵入口和出口管路，但不紧固法兰螺栓，然后进行细致调整，满足技术要求后，紧固法兰螺栓，安装机组地脚螺栓，进行2次混凝土浇注。为了避免发生振动，必须等2次浇注凝固后紧固地脚螺栓1次，机组正常运行24 h后再紧固1次。