大型立式泵振动问题分析及治理

2018-03-20何小锋卢修连刘晓锋何利鹏马运翔

山东电力技术 2018年3期

何小锋，卢修连，刘晓锋，何利鹏，马运翔

（江苏方天电力技术有限公司，江苏　南京　211102）

0　引言

大型立式泵以其结构紧凑、占地面积小的优点，在火力发电厂中得到广泛应用，目前火力发电厂的凝结水泵、循环水泵均为立式泵。但立式泵相对卧室泵而言，其高度较高，轴系较长，水平刚度较差，转子支撑稳定性较差，容易出现振动问题。近几年，为了响应国家“节能减排”的政策，各厂均逐步对凝结水泵、循环水泵进行调速改造，使之能够根据机组运行工况调控转速，有效提高机组经济效益[1]。目前主要采用增加变频器的方式进行变频改造或对电动机进行双速改造。但随之带来的问题是，由于立式泵原为单速设计，对其余转速工况未做充分考虑，使很多立式泵在调速改造后出现振动问题。很多问题具有普遍性，而对故障的定性、处理手段都缺乏有效认知，经常出现误判，导致重复性检修，影响机组的安全运行。本文对大型立式泵的常见振动问题进行阐述及分析，并给出相应检修处理建议。

1　轴系质量不平衡

立式泵轴系较长，由多段轴连接而成，各轴段均可能产生明显的质量不平衡。质量不平衡产生的原因主要有：原始质量不平衡、连接偏心、磨损及弯曲变形。

1.1　原始质量不平衡

原始质量不平衡是指泵转子、电动机转子、对轮或连接轴因原始质量分布不均匀而产生质量不平衡的现象[2]。主要原因是在出厂时动平衡没有做好，存在较大的残余不平衡质量。

原始质量不平衡的判断比较简单，频率成分为稳定的工频成分，振动不随时间、工况而改变，仅与转速有关，共振区域外，振动随转速升高而升高。现场检修中，可通过电动机单转测试来判断不平衡质量的位置，以区分不平衡质量是在电动机转子上还是泵转子上，或者二者均存在。现场一般在电动机风扇或联轴器上加重进行动平衡处理。

1.2　连接偏心

连接偏心主要指各部件连接配合出现偏心，导致轴系出现质量不平衡。对于立式泵而言，叶轮与轴的配合、各轴段之间的配合、两半联轴器间的连接，因为加工误差、检修精度等原因都会导致部件中心出现偏斜，产生质量不平衡。

连接偏心产生的质量不平衡主要出现在检修之后，在检修中由于装配误差、对中不良等因素，导致部件出现偏心，产生质量不平衡。从频谱上看，主要为工频成分，不对中还会产生一些2倍频成分，如有连接松动的问题则还会存在一些谐波成分。振动主要与转速有关。现场判断上主要结合修前修后泵组振动情况以及检修中所做检修工作来判断。振动处理上，在连接偏心不严重，连接紧固的情况下，主要通过动平衡手段解决。偏心严重或者连接存在松动的情况下，则需进行相应检修处理。

1.3　磨损及弯曲变形

磨损及弯曲主要指旋转部件因为磨损或受热而变形弯曲，导致轴系出现质量不平衡。对于立式泵来说，主要指叶轮不均匀磨损，电动机转子的受热变形，膨胀不均，连接轴的弯曲变形等。磨损及弯曲一般发生在机组运行中。由于局部间隙偏小发生碰磨，导致叶轮或轴的不均匀磨损；由于电动机转子的不均匀受热，导致电动机转子的不均匀热态变形。从频谱上看，由于弯曲变形后产生轴系质量不平衡，因此主要为工频成分。磨损及弯曲变形主要出现在运行中，随时间逐步发展，磨损越严重，弯曲越厉害，振动值越大。而电动机受热变形主要出现在带载运行中，是由于电气故障或者冷却不均匀导致的不均匀变形，单转电动机时由于发热量较小，变形量较小，振动一般较小，而带载后发热量大，变形量大，振动会明显变大。振动值大小与电动机带载大小有关。对于叶轮或轴的磨损弯曲一般通过检修调整间隙处理。对于电动机转子的受热变形，在没有严重电气故障的情况下，主要通过动平衡手段，降低热态不平衡质量。

2　支撑动刚度弱

影响振动的因素主要有两个：激振力和支撑动刚度。支撑动刚度因素主要包含结构刚度、连接刚度、结构共振等。

2.1　结构刚度弱

大型立式泵，轴向高度较高，水平向较窄，整体呈现瘦高型，致使其水平向刚度较弱。同时，在下部泵体支架或者电机支架上一般都有较大的检修口，检修口方向的结构刚度会进一步削弱。

立式泵结构刚度弱引起的振动主要体现在水平方向，有检修开口方向振动通常更大。刚度弱会使结构在较小的激振力下产生较明显的振动。立式泵的激振力来源主要是转子不平衡力，因此现场多通过精细动平衡手段来进一步降低转子激振力，从而减小泵体及电机振动幅值。检修开口方向刚度严重偏弱的，可在开口方向加焊加强筋，增加该方向的结构刚度[3]。

2.2　连接刚度弱

由于轴向支撑面较多，一般在泵体及电动机中间存在一到两个支架（泵支架和电动机支架），在接触不良、连接紧力不够的情况下，会出现因连接刚度较弱而引发的振动问题[4]。

从现场处理经验来看，各支架结合面、泵座与水泥基础间的安装结合面比较容易出现连接刚度弱化的问题。主要原因有接触面变形、不平整[5]；泵座基础不均匀沉降、二次灌浆松动[6]；结合面螺栓连接紧力不足。现场可以通过测试结合面处差异振动大小，来判断是否存在连接刚度弱的问题[7]。振动处理上主要通过检修手段，消除引起连接刚度弱的因素。在连接刚度较弱时，动平衡手段往往不能达到较好的效果，且重复性较差。

2.3　结构共振

近年来各电厂为节能增效进行的变频改造，大大地拓宽了立式泵的工作转速区域，甚至涵盖了设备的结构共振区，导致泵体在某些运行频率下出现结构共振，以至于许多泵组的变频器无法正常投运，对机组的安全性和经济性均造成了严重影响[7]。

结构共振主要由两个方面引起：一是结构件设计固有频率未避开运行转速区间；二是因为连接松动、裂纹等原因导致结构件的固有频率下降，落入运行转速区间。从过往统计来看，凝泵在运行转速区间内均存在一个或多个共振峰值，主要为同步共振及次谐波共振。现场处理中，在排除连接松动及裂纹等故障后，主要通过加固及动平衡手段来进行治理[8]。从目前现场治理经验来看，大部分结构共振问题能够通过精细动平衡手段，降低转子激振力，使轴系振动值降至合格或优秀水平[9]。但仍有部分立式泵，由于其存在检修口的原因，水平两个方向共振频率不一致，而现场平衡位置又非常受限，无法通过动平衡手段来有效降低共振区间振动水平。对此，可以结合模态分析手段，对支撑薄弱部位（主要是上下支架）进行加固，使其固有频率高于最高运行转速[10]。或者在运行中设定跳跃频率点及带宽，避开变频改造后在共振区间运行[11]。

还有一部分共振问题比较特别。比如双速改造后的循泵，改造后高速振动较大，而低速振动较小，主要为2倍频或者3倍频成分，一般水平向一个方向较大，另一个方向较小。高低速之间仅差10～99r／min，而振动值却可以相差100～200 μm，电机单转时振动也较大。由于主要发生在双速改造后，且从现场测试来看，转速偏差几转振动便会降至较好，所有经常会误诊，认为是电气改造的影响，为电气故障所引起。从现场试验验证来看，这属于典型的结构共振问题，只是其共振区间较窄。对此类问题的处理，一是在顶部进行加固，改变固有频率，增加结构刚度；二是适度改变高速运行转速，一般只需转速变化10 r／min左右，振动值便能大幅度下降。现场还有些因流体原因引起的共振问题，除壳体加固改变固有频率外，还应从激振力着手，消除流体因素产生的激振力。

3　轴系支撑不稳定

立式泵由于轴系较长，整个轴系重量全靠电动机上部的推力轴承或者推力瓦承受，部分立式泵在泵基座处设有单独推力轴承。这种结构轴系稳定性较差，对检修安装质量要求较高。安装质量不到位很容易导致检修后轴系运行不稳定，产生振动问题。

从结构上，要保证立式泵运行平稳，必须保证如下几点：一是各级台板、支架及电动机定子的水平度和垂直度在标准范围，一般要在0.5 mm／m以内[2]，如果水平度不能保证，则转子运行中必定出现偏斜，导致不稳定；二是要保证推力头的加工精度高、与轴的配合间隙在标准范围、绝缘垫及下部弹簧碟片无磨损，从而保证转子悬挂后保持垂直无偏斜状态[12]。虽然弹簧碟片存在一定的自动水平调整能力，但如果因为磨损或安装配合问题，出现较明显水平度不达标，同样会导致明显的运行不平稳；三是要保证转子的同心度，要确保转子与静子的同心度，不能为了调整空气间隙偏差而牺牲转子的机械同心度。从现场试验来看，转子中心偏移100～200 μm，即使同心度在标准范围内，仍会导致转子运行不稳定，出现明显的振动问题；四是要保证轴系各导轴承的配合间隙及导轴承的同心度，要确保各导轴承在同一垂线上对轴系进行有效限位。

从分析处理角度上，轴系运行不稳定除导致1倍频振动明显增大外，还会产生明显的高次谐波振动，对于转速相对较高的凝泵，还会在部分转速区间激发出其壳体的固有频率，引起共振。在振动较大时，带泵运行还会引起流体紊流，产生明显的低频振动。一般电动机单转时就会出现明显振动异常，连上泵转子后振动进一步恶化。现场较难通过动平衡手段使泵振动值降至较好水平，且动平衡过程会存在反复。轴系支撑不稳定在运行中会逐步恶化，各导轴承磨损加剧，间隙变大，轴系偏转越来越厉害，导致检修间隔周期明显缩短。

因此，在现场检修中主要需注意如下几点：一是检查基础是否沉降、二次灌浆是否松动、台板与基础接触是否平整；二是检查泵支架、电机支架、电机定子是否水平；三是检查推力瓦是否水平，推力瓦及推力头安装是否到位，有没有偏斜的情况；四是检查转子同心度是否超标，各级导瓦是否在一条垂线上，导瓦间隙是否超标。上述各项检查将决定轴系是否能在一个与定子同心、垂直的状态下平稳运行。

4　流体因素

流体因素也是引起立式泵振动的一个重要原因，主要是由于设计问题、运行水位变化、安装等因素引起。实际运行工况偏离设计最优工况、水位变化过大、流道设计更改不合理、转子偏斜磨损间隙不均匀等，均会导致流体紊流，流动不均匀，水中带汽等情况出现，使轴系产生明显振动。

对于大型立式泵来说，流体因素产生的振动主要以叶片通过频率为主，其倍频数与叶片数吻合，同时会存在一定的低频成分或者较高频成分。当叶片通过频率与某个方向固有频率吻合时，还会产生共振现象，导致该方向出现明显的振动。运行一段时间后，大的振动会导致各导轴承磨损，限位不良，轴系不稳定，出现较明显的高次谐波成分，同时水流紊流还会出现明显的低频成分。

一般新建机组可能会出现设计问题，如设计裕量不够，未充分考虑水位变化，进出水管路及流道设计不合理[13]，进水管堵塞[9]，叶片强度设计不合理等，导致运行中因流体原因而产生振动。而已经投产的立式泵，一般与设计无关，多与后期运行工况变化、磨损、改造、安装因素有关。如水位下降较多，偏离设计工况；导轴承磨损，轴向偏斜、叶轮磨损，导致流道不均匀；进出水管改道，影响进出水流的均匀稳定；某级叶轮周向安装不一致，安装限位不良，安装松动等，这些均可能导致流体流动不稳定不均匀，水中带汽，从而产生明显的紊流或气蚀现象。

对于流体因素引发的振动，检修中会发现各级导轴承已出现明显磨损，更换磨损的导轴承后振动会得到一定程度的抑制，但导致流体紊流的根本原因并未消除，运行一段时间后，各导轴承又会出现快速磨损，振动加速变大。因此，应从根本上消除产生流体紊流的因素，才能有效治理此类振动故障。