电厂闭式水泵振动原因分析及处理研究

2021-01-12汪志

科技尚品 2021年12期

汪志

摘要：某电厂闭式水泵运行期间出现振动大的问题，笔者通过振动测量分析和现场检查，找出了闭式水泵振动大的原因，是转子部件质量不平衡、台板不牢固及叶轮安装偏差综合作用的结果。笔者据此提出了切实可行的处理方案，使问题得以解决，保证了闭式水泵的安全稳定运行。

关键词：水泵;振动;频率;叶片

中图分类号：U464.138.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.004

离心泵作为电力、化工、环保等领域的主要设备，在长期使用过程中，普遍存在振动大、密封差、效率低等问题，而振动故障问题占的比例最大。

振动作为评价旋转设备运行可靠性的一个重要指标，对设备稳定运行起到重大影响。振动超标可能引起电机和管路振动，造成轴承等零部件的损坏、连接部件松动、基础裂纹或电机损坏等。

1 设备状况及振动测量

某公司630 MW汽轮机机组闭式水系统选用的水泵，是由长沙天鹅工业泵股份有限公司提供的离心泵，型号为IS200—150—400B+。此水泵为悬臂式单级离心泵，泵体尺寸（长×宽×高）为0.83 m×0.67 m×0.915 m，泵轴长0.83 m，轴向水平进水，垂直出水，泵轴承为进口滚动轴承SKF 6311，泵过流部件及叶轮均采用耐磨金属材料制造。水泵相关参数如表1所示。

该厂闭式水泵于2016年11月投入使用，运行期间出现振动偏大的情况，轴承处振动最大达0.12 mm，悬臂三角支撑处底部台板振动0.08 mm，通过泵与电机对轮重新找中处理后问题仍未解决。而后，联系厂家技术人员对两台闭式水泵进行了解体检查，水泵叶轮内部无裂纹，仅有轻微磨损，更换轴承后，闭式水泵振动有所下降，但效果不明显，振动依然偏大。

为正确快速查明闭式水泵异常振动的原因，在振动故障发生后，笔者利用MS400（IP65）小神探点检仪对闭式水泵进行振动测试，测点位置选取水泵悬臂轴承处、泵体。通过现场振动测量，测得闭式水泵轴承处水平、垂直、轴向振动数据，如表2所示。泵的振动正常值如表3所示。

同时，选取水泵悬臂轴承处垂直方向振动进行频域测量，所得频谱数据如表4所示。

2 振动测试及原因分析

水泵振动的原因是多方面的，泵的转轴通常与电机轴直接相连，泵的动态性能与电机的动态性能相互影响，这要求泵与电机轴承中心、联轴器与轴配合程度、轴本身弯曲度、材质、螺栓紧力、弹性块质量等均需符合技术要求[1]。除此之外，泵叶轮受力状况与流体状态影响较大，流体参数与泵性能匹配程度，进、出口管线布置等，均可影响泵动态性能的稳定性[2]。

2.1 泵振动分析的方法及基本步骤

以每个体节点上节点力或者每个节点的偏移作为基本的未知量求解。按照选取基本的未知量的不同，分为偏移法、混合法、力法。选取每个个体节点位偏移作为基本未知量称为偏移法，每个节点力为基本未知量称为力法，而选取一部分的节点力和节点的偏移为基本未知量称为混合法。

2.1.1 离散化

从几何上用面或者线对将待分析的结构物划分成有限的个体，即把结构物作为由有限个体构成的集合体，这就是结构物体离散化。按照结构物的形状、大小不同和分析要求，选择的个体形式不同，一般节点的设置是在每个个体的边界上，每个节点和相邻个体连接。对结构物进行离散化时，依据计算机性能和计算的精度要求确定划分每个个体的数目和大小。

2.1.2 個体的分析

个体分析的目的是导出个体的节点力和节点偏移之间存在的关系，即建立个体的刚度矩阵。分析杆件结构时，常常以等截面杆作为个体，并且可以直接运用由结构力学导出的公式得出杆端力和个体两端的节点距离两者之间的相互转换关系。

分析弹性力学中的平面问题时，采用节点位移按照一定的函数关系表示在每个平面个体中的任何一个点的位移，把这种函数叫做偏移模式或者是偏移的函数。被选取的位移模式必须确保求解收敛的性质，所以，个体分析的关键是建立合理的位移模式。位移模式确定以后，个体的刚度矩阵能够通过弹性力学的基本方程求解得到[3]。除此以外，要按照静力学等效的原则，把作用在每一个体上的外载荷简化到节点上，由此形成等效的节点力。

2.1.3 整体的分析

整体的分析是分析由每个体构成整体的结构[4]，其目的是导出整体结构节点力和节点移之间存在的关系，即建立结构整体的刚度矩阵。整体的分析的基本步骤：首先，按照一定的集成原则将每个体刚度矩阵组合成整体的刚度矩阵，并把个体等效的节点负荷通过一定的规则集合成整体的等效节点的外负荷列矩阵;其次，引入结构偏移的边界条件，对整体的平衡方程求解，得到基本的未知量个体节点的偏移列矩阵;最后，通过计算，求解个体的变形和内力。

2.2 转子质量不平衡

转子不平衡由于有偏心质量m和偏心距e的存在，当转子转动时会产生离心力[5]。离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度ω有关，即F=meω2。转子转动一周，离心力方向改变一次，因此不平衡振动的频率与转子转速一致，表现为以1倍频振动分量为主[6]。

由闭式水泵振动测量数据表2中的频谱可以看出，该厂闭式水泵振动主要是1倍频成分，占比85.4%，2倍频占比较小。这表明，水泵振动偏大并非由联轴器不对中引起，而是由转子质量不平衡引起的[7]。根据这一特征，再次全面检查水泵，水泵叶轮完好，无裂纹、汽蚀以及明显的磨损情况，但发现水泵侧联轴器爪子内有多个不规则的平衡孔，而电机侧联轴器爪子完整，如图1所示。通常，水泵叶轮高速动平衡时一般不带联轴器，此平衡孔极可能是联轴器本身平衡时遗留下来的，为避免联轴器质量不平衡导致水泵振动，笔者就重新更换了一套新的联轴器。

2.3 支撑系统不稳

该厂闭式水泵为悬臂式离心泵，其支撑系统包括轴承三角支撑、基础底座、台板等，水泵支撑系统状态是否牢固稳定，关系到水泵的安全运行[8]。支撑系统的故障，一般有刚度不足、螺栓松动等，影响支撑系统刚度的因素主要有连接刚度和结构等，主要表现为台板振动大[9]。

振动测量对闭式水泵轴承架和基础各部分位置，发现轴承三角架底部台板振动较大，振动约85 um。检查出轴承三角架一边的安装螺钉有松动，使整个轴承架的另一边为支点进行摆振，处理后振动下降约10 um，但仍然超标。

离心泵的基础底座及锚固件通常浇筑在混凝土中，设备本身及外围设备运行时，各种振动通过基座相互影响[10]。对比该厂两台机台板，发现振动大的这台闭式水泵台板要比其他台板薄10 mm。对此，为避免基础底座锚固件松动，造成设备振动加剧，甚至引发共振，就要对水泵台板底部进行灌浆处理[11]。

2.4 叶轮安装及磨损缺陷

叶片通过频率是泵或风机由于流体的压力脉动产生的常见振动频率成分之一[12]。产生叶片通过频率振动的原因通常有叶片通过频率共振、管路设计不合理、叶片未在设计工况下运行、安装偏差或运行磨损等[13]。叶片通过频率振动是流体机械的流道内产生压力脉动诱发的高频振动，其频率是整圈叶片数与转速频率的乘积，即每根叶片通过流道突变或不连续处就产生一次压力脉动。

由闭式水泵振动测量数据表2中的频谱可以看出，该厂闭式水泵振动除1倍频振动分量外，还存在较大的7倍频振动分量，占比13.9%。由于该离心泵叶轮叶片设计为7片，叶轮解体情况如图2所示，其叶片通过频率为转子工频的7倍，与测量结果存在7倍频振动相吻合[14]。因此，该离心泵极可能存在非定常流动下产生的压力脉动引起的叶片通过频率振动。通过解体水泵检查，最后将该泵可能引起叶片通过频率振动的主要因素确认为，轴承跑外圈导致安装偏差、叶轮与泵壳间隙不均匀两个问题，并调整安装[15]。

3 处理措施及结论

从原因分析和现场实际检查情况看，水泵基础不牢固、支撑螺栓松动、联轴器质量不平衡、叶轮与泵壳之间间隙不均匀，是导致该厂闭式水泵振动大的原因[16]。对此，笔者经过采取台板灌浆、紧固螺栓、更换联轴器以及调整叶轮与泵体间隙等措施，最终使闭式水泵振动下降至32 um，解决了闭式水泵振动大的问题[17]。

通过制造、设计与选型工作可以在最大程度上减少离心泵振动情况，相关人员需对制造、设计以及选型工作等给予更多重视和关注。在实际施工过程中，可以从以下三方面著手。

第一，设计离心泵整机的过程中，要根据对应的工艺和工况，确保其符合对应的国际技术标准。设计叶轮和流道时要充分思考和分析介质的物化性质，尽可能减少脱流情况出现，确保叶片的个数和出口角度选择合理。设计联轴器结构时，要确保结构上具有较好的减震性。设计管路时，要依据相关技术标准和要求，大力减少压级，减少损耗[18]。

第二，泵制造过程中，制造人员要正确认识合同和技术协议，定期监工检查，特别是其中的隐蔽工序，要落实监督工作，出现问题立刻解决，前一道工序未经过验收，禁止进入下一道施工工序，每个项目都要经过验收并且合格后才能开展后续制造。

第三，部件选型过程中，施工人员要正确认识泵设计、制造及装配过程把控，确保力学结构要求。例如，在机封选型过程中，要考虑弹簧材料形式、动静环密封面以及工况的需求。

参考文献

[1] 赵小康，田磊，张宏中，等.水泵在运行中产生的振动原因及对策[J].内燃机与配件，2019（9）：155-156.

[2] 薛大强.给水泵振动原因分析及对策[J].冶金动力，2019（4）：36-39.

[3] 黎义斌，赵伟国，王秀勇，等.离心泵变工况流场分析及数值模拟[J].兰州理工人学学报，2007，33（6）：43-46.

[4] 徐朝晖.高速离心泵内全流道三维流动及其流体诱发压力脉动研究[D].北京：清华大学，2014.

[5] 成大先.机械设计手册（第三卷）[M].北京：化学工业出版社，2018.

[6] 邓成刚，汪成，何镇威，等.电厂闭式循环冷却水泵振动原因分析及解决措施[J].电力勘测设计，2017（2）：23-28.

[7] 张毅.离心泵产生振动过大的原因及解决措施[J].化工设计通讯，2019，45（9）：108，129.

[8] 吕文俊.电厂给水泵振动原因及预防探讨[J].山东工业技术，2017（18）：234.

[9] 毛靓华.电动给水泵振动原因分析及处理方法[J].内燃机与配件，2019（2）：150-153.