火电机组泵类设备振动超标原因分析及预防控制

王培磊 郑睿 殷怀志

摘要：某海外火电机组对泵类设备实施了振动测试，共发现42台泵存在振动超标问题，结合振动分析仪频谱，辅助其他检测手段，对存在振动超标问题的水泵进行了振动原因分析、处理，解决了泵类设备的振动超标问题。基于该项目实践，对泵类产品振动原因进行了分类、研究，有针对性地提出了泵类产品的振动预防措施，为泵类设备的振动预防控制提供了指导。

关键词：水泵;振动;原因分析;预防控制

0 引言

在火电机组中，泵类设备数量较多，作用较大。泵类设备振动超标是一种较为普遍的现象。振动会对泵性能产生重大影响，因此对泵的振动进行研究非常有必要。通常来说，振动水平增加意味着泵出现故障，同时意味着设备开始自我毁坏。较高的振动最终会由于循环载荷使轴承寿命降低、地基变形、密封失效等，导致泵组损坏，甚至造成较大的安全事故。为了确保泵组及其配套设施安全，必须将泵类设备振动控制在标准、规范要求的范围内。

1 泵類设备振动原因分析及处理措施

某海外项目的一台350 MW燃煤电站机组中配套使用了大量转动设备，如水泵、风机、磨煤机、破碎机等。为了确保设备安全运行，该项目使用FLUKE 810振动测量仪对全厂所有转动类设备进行了振动检测，共计发现42台水泵超出ISO 10816标准规定的振动A区范围。振动原因分布如图1所示。

1.1    一倍频振动问题

根据振动频谱分析，发现大部分振动为一倍频，主要为转子部件不平衡引起的振动，如图2所示。

一倍频振动增大的原因有很多，为了找出具体的振动原因，采用包括主要转子重新进行动平衡、复查联轴器找正数据、查验主轴圆周跳动度及端面跳动度、检查轴承等辅助手段进一步分析。通过分析，对于一倍频振动增大的水泵，其振动增大的主要原因如下：

1.1.1    转子部件不平衡

在对消防水泵转子进行动平衡检查时，发现平衡精度等级为G100，远远超出ISO 1940规定的合格范围，转子严重不平衡。经过对转子重新进行动平衡，最终转子平衡精度等级达到G2.5，完成后重新回装，泵体振动恢复正常值。

存在类似问题的水泵共有14台。

1.1.2    设备安装找正对轮未对中

根据设备安装手册及标准，安装时，设备与电机之间的联轴器找正偏差应控制在0.05 mm内。再生废水泵设备在发现振动超标后，复查联轴器找正值，发现找正值远远超出0.05 mm。

联轴器对中不良将产生附加弯矩，给轴承增加附加载荷，致使轴承间的负荷重新分配，形成附加激励，引起机泵强烈振动，严重时会导致轴承和联轴器损坏、地脚螺栓断裂或扭弯、油膜失稳、转轴弯曲、转子与定子间碰磨等严重后果。因此，要及时处理不对中故障，确保机泵正常运行[1]。

联轴器经过重新安装找正，并严格控制找正偏差在0.05 mm内，解决了水泵振动问题。

对于对轮不对中导致的振动，转子径向振动以一倍频和二倍频为主，轴向振动在一倍频、二倍频和三倍频处有稳定的高峰，一般可达径向振动的50%以上[2]。

存在此类问题的水泵共有11台。

1.1.3    主轴弯曲

启动锅炉给水泵，在发现振动超标后，测量了其主轴的圆周跳动值，发现主轴轴头圆周跳动值达到了0.15 mm。根据设计图纸及规范，轴径40 mm的主轴圆周跳动值应小于0.05 mm，这说明此主轴发生了弯曲。经进一步查验，发现轴头配套的联轴器外缘有明显撞击痕迹，初步判断造成的原因是设备在安装过程中发生了意外碰撞，轴头位置发生弯曲。通过校轴，并重新对转子进行动平衡，振动问题得以解决。

存在此类问题的水泵共有3台。

1.1.4    轴承损坏

浆液循环泵被发现振动超标后，在对其进行拆卸的过程中发现轴承异常。经进一步查验，发现轴承内部磨损，更换新的轴承后振动问题得以解决。

存在此类问题的水泵共有3台。

1.2    其他振动原因分析

1.2.1    叶片通过频率较高

给水泵的前置泵共有3台，均出现了振动高的现象，而振动频谱显示3台前置泵均表现为叶片通过频率较高，如图3所示。

隔舌与叶轮外径间的径向间隙是流体泵、压缩机和涡轮机的重要设计参数和性能参数。正确选择该间隙通常是兼顾效率和可靠性的理想设计方案[3]。根据泵类产品设计手册，离心泵蜗壳隔舌与叶轮外径间的间隙应控制在叶轮半径的4%～12%，如图4所示。

经测量发现，这3台前置泵的间隙小于4%。经过与原水泵供应商的水泵设计人员反复计算与确认，在充分保证泵效率及性能的前提下，现场对泵壳进行了加工，使得离心泵隔舌与叶轮外径间的间隙增大。经过处理，前置泵的振动有所减少，另外又在泵驱动端靠近联轴器位置增加了支架，最终解决了前置泵的振动问题。

1.2.2    基础强度不足

汽轮机润滑油的主油泵直接安装在油箱的顶板上，底部缺乏足够的强度支撑，导致油泵在工作时振动较高。联系原供应商后，在油泵底部增加了加强基础的支撑，振动恢复到标准范围之内。

存在此类问题的设备共有6台，原因均为直接将泵体设置在箱体顶板上，而未充分考虑其基础强度问题。

1.2.3    泵底板不平

清水泵振动超标，在检查时发现其泵的底座底板变形，后经过对底板进行校正，并与基础之间实施找平、灌浆处理，最终振动问题得以解决。

存在此类问题的水泵共有2台。

2 水泵振动的预防及控制措施

经过逐项分析，找到了该海外项目中42台水泵振动超标的原因，并逐一对水泵进行了处理，振动问题得到解决。但这些问题的解决都花费了大量时间与费用，对于工期紧张的项目，处理这些设备问题给项目整体进展带来很大影响。因此，预防水泵振动问题非常关键。

通过分析可知，引起水泵振动的原因涵盖了水泵的设计、制造、工厂内试验、现场安装等多个环节。因此，应从多个环节做好水泵的振动超标预防工作。

2.1    选择优秀水泵供应商并加强设计质量控制

选择知名水泵厂家，同时应选择具有同型号业绩的厂家，尽量选用成熟、可靠的泵型。设备采购时，注意与其他厂家进行技术差异对比，如泵体重量、泵体材质、特性曲线、产品样本等[4]。

督促供应商在水泵设计时，完全执行水泵设计标准、规范，对于新机型、新产品，应组织评审;重视设计图纸与规程、规范吻合度的审查，对于超出标准、规范范围的设计参数，应组织评审。

2.2    加强制造环节质量控制

加强设备制造过程的监造，与供应商在合同中签署水泵质量检验计划，水泵质量检验计划应至少涵盖以下内容：

2.2.1    原材料控制

泵壳、叶轮、主轴、口环等水泵的关键部件，应严格审核其原材料证书。质保书审核时，应注意原材料与材质单的吻合度，确保材质单的真实性与可靠性。必要时要求提供随炉试样，对原材料理化指标实施复检。

关键材料如果有热处理要求，应对其热处理工艺、热处理过程及热处理报告进行监控与审核，确保热处理符合标准、规范要求。

委托专业监造工程师见证泵壳的水压试验，确保水压试验过程及最终结果满足标准要求。

2.2.2    无损探伤

泵壳、叶轮、主轴等部件应进行无损检测，包括机加工之后，一般要求实施100%超声探伤检验以及100%磁粉探伤或着色渗透探伤。无损探伤应委托专业监造工程师进行100%见证。

2.2.3    尺寸控制

泵壳、叶轮、主轴、口环等水泵的關键部件，应严格按照图纸进行尺寸检验，包括主轴圆周跳动度、端面跳动度、装配尺寸、径向及轴向运转间隙、转子轴向窜动量和间隙等。

2.2.4    平衡试验

按照标准甚至更高的要求，在采购合同中约定平衡试验等级，要求水泵转子必须在工厂内完成平衡试验，并委托专业监造工程师见证叶轮静平衡试验以及转子动平衡试验。

2.2.5    外购件控制

电机、轴承、机封等外购件对整体泵组的质量至关重要，应加强对电机、轴承等外购设备的质量控制。建议在合同中约定电机、轴承、机封的品牌，要求电机应在电机厂内完成整机测试，并委托专业人员对整机测试的过程进行见证。

2.2.6    整机性能试验

要求整机泵组在工厂内完成性能试验，以验证泵组在运转状态下质量满足要求，包括效率、扬程、流量监测，汽蚀试验，测试振动、噪声，监测轴承温升等。

水泵的整机性能试验应在额定转速下完成，尤其是对于海外60 Hz电源项目，应确保工厂试验条件可以达到全转速。

2.3    加强现场安装环节质量控制

水泵在现场安装前，要求施工单位仔细阅读安装手册及相关标准，并编制施工方案及安装过程检验计划。

电机及水泵安装时应严格按照施工方案、步骤逐项实施，包括基础施工、灌浆、地脚负荷分配、对轮安装、外部管路安装等。

对轮安装与找正是水泵设备安装最重要的环节。泵和电机的联轴器所连接的两根轴的旋转中心应严格同心，联轴器在安装时必须精确地找正，否则将会在联轴器上引起很大的应力，并严重影响轴、轴承和轴上其他零件的正常工作，甚至引起整台机器和基础的振动或损坏等[5]。对此，应委派专业、有经验的作业人员完成，严格控制找正精度，找正精度值根据泵的种类、转速、连接方式不同而有所不同，因此必须严格执行安装手册及相关标准，比如转速3 000 r/min以上的水泵，一般要求找正偏差控制在0.05 mm内。

3 结语

水泵作为电站机组中的重要辅助设备，在机组运行过程中发挥着关键作用。振动超标是水泵的常见故障之一，严重影响水泵的可靠、安全运行。研究发现，引起水泵振动的原因有很多，只有找出具体原因，才能切实解决问题。为了有效避免水泵振动，最关键的是防患于未然，从设计、制造、安装等环节加强质量控制，方可有效预防水泵振动问题的产生。

[参考文献]

[1] 石奇峰.离心泵振动超标原因分析及措施[J].中国设备工程，2020（21）：175-177.

[2] 尹洪江.一倍频振动增大的原因分析[J].中国设备工程，2005（1）：49-50.

[3] AL-QUTUB A，KHALIFA A，KHULIEF Y.Experimental Investigation of the Effect of Radial Gap and Impeller Blade Exit on Flow-Induced Vibration at the Blade-Passing Frequency in a Centrifugal Pump[J].International Journal of Rotating Machinery，2009.

[4] 徐正.水泵振动原因及预防[J].山西电力，2019（5）：59-62.

[5] 杨宏.水泵与电机联轴器的找正方法介绍[J].云南水力发电，2011，27（5）：101-102.

收稿日期：2020-12-14

作者简介：王培磊（1982—），男，山东博兴人，硕士研究生，工程师，研究方向：电站设备及施工质量控制。