海水淡化一级RO升压泵振动原因分析及处理

范　赏，李永战，孔令梅，马现奇

(1.三门核电有限公司，浙江 三门县　317109；2.国核工程有限公司，浙江 三门县　317109)

某电厂海水淡化系统的功能是将海水经过预处理和一级反渗透脱盐处理后，向除盐水生产系统供应符合质量要求的淡水。该电厂海水淡化系统一级反渗透高压泵在首次带载试验时发生振动超标，高出厂家允许值较多。现场通过重新对中、增加入口管道支撑、虚角处理、基座焊接加强筋等一系列措施，最终使泵振动合格。该泵振动问题严重限制了现场调试工作的进展，因此对泵振动问题进行深入分析。

1　海水淡化一级反渗透高压泵介绍、测点布置及振动标准

1.1　海水淡化一级反渗透高压泵介绍

海水淡化系统一级反渗透高压泵采用美国进口品牌的8级离心泵，额定流量：394 m3/h，额定扬程：3.7 MPa，额定转速：2 802 r/min；电机是国产配套变频电机；单级泵通过泵轴串联并用螺栓固定，每一级包含一个叶轮推动水流离心提升压力，可以通过增加泵级数或提高泵轴速提高压力。泵与电机使用软联接泵轴可以在联轴器内浮动消除泵轴对电机轴承的推力。进出水口卡口联接设计，使用刚性连接系统管道。高压泵采用变频控制，启动时频率缓慢升高，流量逐渐增大，以避免对反渗透膜组件的冲击。整体结构见图1和图2。

图1　高压泵整体结构图

图2　高压泵整体结构图

1.2　测点布置

采用便携式测振仪对海水淡化系统一级反渗透高压泵进行振动监测，测量点位置如图3所示。

图3　一级反渗透高压泵振动测点布置图

1.3　振动标准

根据振动验收标准按照GB/T 29513—2013《泵的振动测量与评价方法》[1]，该泵属于三类泵B等级，振动烈度合格标准为小于4.5 mm/s，试验停车标准上限值为7.1 mm/s。

2　海水淡化系统一级反渗透高压泵测振试验情况

2015年11月17日，一级反渗透升压泵B开始升频试验，升频之前进行了手动盘泵，无卡涩。在升压至15 Hz时，泵体进口垂直方向振动值达9.5 mm/s，2 min后，振动值降为1.8 mm/s，再升至20 Hz、25 Hz，泵体进口垂直于泵轴水平方向振动值趋势仍为先大后小(合格)，待升至30 Hz时，振动值高达25.5 mm/s，运行0.5 min后，仍不见减小，立即进行降频，并停运一级反渗透升压泵B。

2015年11月18日，把支撑固定螺栓紧固后，启动B泵。B泵电机频率升到32 Hz后，发现泵的进口垂直于泵轴的水平方向处振动值为13.5 mm/s，超过要求值4.5 mm/s，其他两个方向正常。立即降频停泵。B泵运行频率与振动最大值如图4所示。

通过使用振动频谱分析仪对振动频谱的分析，确认设备振动属于强迫振动。为进一步处理该泵振动问题，需要对振动原因进行深入分析，然后采取针对性措施去处理。

图4　B泵运行频率与振动值关系图

3　振动原因分析

按照引起机械振动的原因划分，机组轴系的弯曲(水平方向)振动基本上可以分为强迫振动和自激振动两大类[2]。

振动系统在周期性的外力作用下，其所发生的振动称为受迫振动，也称强迫振动，同时若其频谱中1X频率(1X频率是指设备转速对应频率)占80%以上振幅，则可判断该振动模型属于普通强迫振动。若某泵转速为1 480 r/min，则其1X频率为1 480/60=24.7 Hz。

在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在该部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比，即：

A=P/Kd

(1)

Kd=Kc/μ

(2)

式中A——振幅；P——激振力；Kd——支撑动刚度；Kc——部件静刚度；μ——动态放大系数。

通过式(1)可知，激振力P过大或支撑动刚度不足是产生过大普通强迫振动振幅的原因。通过式(2)可知，支撑动刚度与其静刚度成正比。若要减小普通强迫振动的振幅，可以通过减小激振力和增大动刚度两个方面着手。

支撑动刚度不足分为连接刚度不足和结构刚度不足。连接刚度不足一般考虑设备的连接部位是否紧密紧固，如基础台板、泵基座基础、电机机架等(对应于立式泵)。检查部件连接紧密程度传统的方法有检查螺栓预紧力、连接部件之间的间隙等方法[3]。结构刚度主要由外形、壁厚、材料和支撑基础的静刚度决定。从目前的消振方法来看，增加结构刚度是十分困难的，一般只能从降低激振力入手。

对于激振力而言，能够产生1X振动频率的激振力主要有3种。

(1)转子不平衡是由于转子质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距。转子旋转时，表现为一个与转动频率同步的离心力矢量，从而激发转子的振动。转子不平衡受材料的质量分布、加工误差、装配因素及运行中的冲蚀和容积等因素影响。

(2)转子不对中分为轴承不对中和轴系不对中(联轴器不对中)。轴承不对中指轴颈在轴承中偏斜，轴承不对中本身不会产生振动，它主要影响油膜性能和阻尼。在转子不平衡情况下，由于轴承不对中对不平衡力的反作用，会出现1X频谱。轴系不对中指泵轴和电机轴通过联轴器连接时，两个轴不在同一直线上，含平行不对中，角度不对中，综合不对中。

(3)转子弯曲分为转子永久性弯曲和临时性弯曲。永久性弯曲是指转子轴呈弓形弯曲后无法恢复；临时性弯曲是指可恢复的弯曲。这两种故障是不同的故障，但其故障机理相同，都与转子质量偏心类似，因而都会产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力。与质量偏心不同之处在于轴弯曲会使轴两端产生锥型运动，因而在轴向还会产生较大的工频振动。

表1　升压泵B各点振动值

备注：X：垂直于泵轴水平方向；Y：泵轴方向；Z：垂直于泵轴竖直方向。

4　振动处理

根据振动分析的原因，分别采取增加管道支撑、泵水平度调整、基座增加加强筋等措施进行处理。

4.1　增加管道支撑

考虑到现场实际管道布置，认为造成振动的原因可能是泵的进口未安装支架，管道重力集中在进口所致，GB 50275—2010《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范》[4]4.1.5章节规定：泵的进出口管道应有各自的支架，泵不得直接承受管道等的质量。现场查看反渗透高压泵入口管道没有支架，导致泵承受一定的管道重量。2015年12月24日，完成升压泵B入口管道支架制作(如图5所示)。对一级反渗透升压泵B进行升频带载试验，发现泵频率升至32 Hz时，振动值为5.1 mm/s(>4.5 mm/s)，超标；继续升至34 Hz时，泵进口垂直于泵轴水平方向振动值为9.9 mm/s，随后立即将泵停运，升压泵B振动值仍无法满足要求，振动值具体数据如表1所示。

4.2　泵水平度调整

根据表1数据可以看出，对高压泵进口管道增加支撑后泵振动值有所减小但依旧超标，再次检查高压泵泵进出口与管道安装的情况发现，泵的入口与管道卡箍连接处，存在较大应力和错口，如图6所示。

图6　泵入口管道错口

松开进出口管道，进行调整进出口管道错口，对一级反渗透升压泵B进行升频带载试验。试验发现泵频率升至35 Hz时，振动值达到了4.8 mm/s(>4.5 mm/s)，继续升至36 Hz时，泵进口垂直于泵轴水平方向振动值为9.1 mm/s，随后立即将泵停运，升压泵B振动值仍无法满足要求，振动值具体数据见表2。

表2　调整管道错口后启动泵各级叶轮在不同频率下振动最大值

图7　泵基座增加加强筋前后对照

4.3　泵基座焊接支撑加强筋

由于该泵属于多级泵，泵身长约2 m，泵体支撑依靠6根支撑柱来固定，每根支撑柱约0.5 m，相当于该泵放在一个基础不牢固的平面上，在泵高转速情况下会造成泵的左右摇摆，从而造成泵振动值的超标。基于此原因，在泵基座增加加强筋，已增加泵基础的牢固性，泵基座增加加强筋见图7。通过增加基础刚度后，再次启动高压泵，振动值下降并满足厂家验收标准(试验停车标准上限值为7.1 mm/s)，具体振动值见表3。

表3　泵基座增加加强筋后泵各级叶轮在不同频率下振动最大值　mm/s

备注：X：垂直于泵轴水平方向； Z：垂直于泵轴竖直方向。

5　结语

对海水淡化一级反渗透多级泵的振动问题分析和处理，通过对振动原因分析，借助强迫振动的理论，主要从激振力和支撑动刚度两方面进行逐一消除，最终处理了泵的振动问题。对于多级泵而言，其安装时进口管道的布置及水平度需严格按照标准进行把控；多级泵设备基座结构刚度需满足强度要求。该多级泵振动超标问题的处理方法可为后续类似设备问题的处理提供参考处理思路。

参考文献：

[1]泵的振动测量与评价方法，GB/T 29513—2013 [S].

[2]张学延. 汽轮发电机组振动诊断[M]. 北京:中国电力出版社, 2008.

[3]施维新, 石静波. 汽轮发电机组振动及事故[M]. 北京:中国电力出版社, 2008.

[4]原中华人民共和国机械工业部. 中华人民共和国国家标准 GB 50275—1998:压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范[M]. 北京:中国计划出版社, 1998.