某燃机电厂水环真空泵振动故障的精密诊断

2021-03-11李必强

中国设备工程 2021年3期

李必强

（杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州 310015）

发电厂抽真空系统的目的就是排除汽轮机凝汽器中的空气和非凝结气体，以建立和维持凝汽器内的真空。凝汽器借助降温和抽真空将蒸汽变成凝结水，从而降低汽轮机水耗，提高经济性。水环真空泵由于结构紧凑、工作平稳可靠和适宜抽吸带液气体等优点，在大型电厂抽真空系统中得到普遍应用。某燃机电厂S109FA 燃气-蒸汽联合循环机组的抽真空系统装有两台水环真空泵，机组正常运行时一备一用。

图1 水环真空泵工作原理

水环真空泵属于变容式真空泵，靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气，它抽取容器中的气体将其加压到高于大气压，从而能克服阻力排出气体进入汽液分离器，分离后的气体排入大气。水环真空泵主要部件是叶轮和壳体，叶轮由叶片和轮毂构成，壳体内部形成一个圆柱体空间，叶轮偏心地安装在这个空间内。当叶轮在电动机驱动下旋转时，水由于离心作用被抛向四周，在壳体内表面形成一圈封闭水环。由于叶轮与壳体是偏心的，水环内表面也与叶轮偏心，于是，在水环、叶片、轮毂和壳体之间形成许多互不相通、容积不等的密闭小腔室。随着叶轮的旋转，小腔室的容积是不断变化的。在容积由小变大的过程中，使小腔室与吸气口相通，就会不断吸入气体。在容积由大变小的过程中，已吸入的气体将被压缩，当气体被压缩到一定程度后，使小腔室与排气口相通，即可排出已被压缩的气体。

1 振动异常的诊断分析

1.1 测试基本情况

2020 年3 月26 日，某燃机电厂运行人员巡检中发现3#B真空泵轴承异声，精密诊断工程师到达现场进行振动、超声数据采集和诊断分析。

3#B 真空泵为NASH TC11 型两级锥体式水环真空泵，卧式水平布置，电动机驱动，额定转速490 转/分，泵两端轴承是TIMKEN 71450/71751D.X3S-71450 型双外圈圆锥滚子轴承。如图2 所示，真空泵共设电机自由端、电机驱动端、泵驱动端和泵自由端四个轴承位置的振动和超声固定测点，利用TRIO CX7 振动分析仪采集四个测点的水平、轴向和垂直方向振动频谱、时域波形、解调谱和解调波形图，利用SDT270 超声波检测仪采集四个测点的静态超声值和动态时域波形图。

图2 真空泵测点布置图

1.2 振动诊断分析

旋转机械的振动故障诊断方法有很多，如时域分析、频域分析、包络解调分析、冲击脉冲分析等，我们依靠精密仪器，综合运用多种方法对3#B 真空泵进行故障诊断分析。

从3 月26 日的振动数据来看，电机两端轴承的整体振幅较低，且历次测量值都较稳定，频谱和解调谱未见轴承故障特征频率成分，轴承解调波形DW 冲击值均小于3g。电机两端轴承超声静态RMS 有效值小于基准值，CF 值也小于10，超声动态波形图底噪低，未见异常冲击信号。综上所述，3#B 真空泵电机侧振动、超声诊断均正常。所以，重点对泵侧两端进行振动和超声诊断分析。

泵侧轴承振动异常，振动频谱、解调谱、解调波形的幅值都比上次测量有增大趋势。泵侧振动通频值整体高于电机侧，而泵自由端通频值又高于泵驱动端，如表1 所示，泵自由端垂直方向通频值达到6.62mm/s，超过预设警告值。

表1 泵自由端、驱动端振动通频值

泵侧振动频谱呈现明显的伴有偶然高频振动的气穴特征，尤其是泵自由端低频和高频范围内底噪明显（图3），说明真空泵存在汽蚀现象。水环真空泵采用水为工作液，当吸入区域的绝对压力接近水的饱和蒸汽压时，工作液表面会产生大量汽泡，经过压缩过渡区域，汽泡会发生破裂，以较大的力打击金属表面，使金属表面遭到破坏，并产生振动。

泵自由端轴承解调波形存在非常明显的锯齿形峰值（图4），水平方向DW 冲击最大值达到26.5g，说明轴承存在冲击和磨损。连续的高频冲击信号，对轴承运行造成较大影响，会大幅降低轴承使用寿命。

图3 真空泵自由端轴承频谱图

图4 真空泵自由端轴承解调波形图

1.3 超声诊断分析

SDT270 超声波检测仪是利用设备在特定的工作状态下可以产生超声波的特性进行数据采集，采集过程中，忽略现场各种嘈杂的有声信号，而只捕捉超声信号，并对超声信号的大小通过比较判断设备运行状态。

选用针形接触式探头，采集静态数据和超声时域波形，进行轴承状态监测。在轴承状态良好时，测量获得超声频率的噪声（dB 值），并以此为基准值。当轴承润滑不良或磨损时，超声频率的dB 值会变大，根据差值和趋势判断轴承状态。根据历史测量记录，泵侧轴承RMS 基准值为28dB 左右，如表2 所示，本次测量泵自由端RMS 静态值达到44.2dB，超过基准16.2dB，表明进一步的故障状态，轴承可能存在肉眼可见的磨损。泵自由端的CF 值也达到42.17，远超10 的标准值。

表2 泵自由端、驱动端超声静态值

如图5 所示，真空泵自由端轴承超声动态时域波形图可见明显的高信噪比锯齿形冲击信号，信号峰值最高超过2000μV，说明轴承存在冲击和磨损。

图5 真空泵自由端轴承超声动态时域波形图

2 检查处理和效果检验

2.1 解体检查和故障处理

4 月，在检修车间对3#B 真空泵进行解体检查，拆除泵自由端和驱动端的轴承室、轴承、泵盖和锥体组件。现场拆解发现泵自由端轴承外圈滚道存在大量疲劳点蚀（图6），滚柱摩擦痕迹明显（图7）。真空泵自由端二级锥体上有非常明显的汽蚀斑点和局部磨损（图8），其背面有圆环形摩擦痕迹。如图9 所示，真空泵自由端二级叶轮内锥面有摩擦痕迹，并有卷边和过烧现象，同时，轴上安装填料和轴承架位置也有磨损。根据现场解体情况分析，泵自由端锥体因为汽蚀产生磨损，叶轮与锥体存在过热膨胀摩擦，同时，造成泵轴承磨损。

现场解体检查发现的故障与前期精密诊断分析结论一致，根据故障情况，更换真空泵两端轴承、填料函填料、轴承盖唇封、密封垫片等部件，对叶轮内锥面和锥体锥面进行轻微切削和打磨，锥体重新组装时调整其安装尺寸，在锥体和泵盖之间增加密封垫片，按7:1 的比例补偿去除的材料总量。

图6 轴承外圈滚道点蚀

图7 轴承滚柱摩擦痕迹

图8 锥体气蚀磨损

图9 叶轮摩擦痕迹

2.2 维修后效果检验

4 月27 日，精密诊断工程师对维修后安装就位的3#B 真空泵，重新采集振动和超声数据，验证故障是否消除。现场的轴承异声已完全消失，从泵两端振动通频值的对比（表3）可以看出，泵侧的振动通频值明显下降，均大幅小于预设警告值，泵自由端轴承垂直方向从修前的6.62mm/s 下降至1.75mm/s，振幅在正常范围内。从振动频谱看，高频范围内300 ～1000Hz 的气穴特征频谱完全消失。

表3 泵自由端、驱动端振动通频值对比

如图10 泵自由端轴承解调波形对比图所示，黑色为维修前3 月26 日图谱，灰色为维修后4 月27 日图谱，维修后轴向、水平、垂直三个方向原先非常清晰的锯齿形冲击信号完全消失，DW 冲击值也大幅下降，尤其是原先幅值最高的水平方向冲击值显著下降。

如表4 所示，泵自由端轴承超声静态有效值大幅降低，从44.2dB 降低至21.8dB，小于28dB 的基准值，CF 值从42.17大幅降低至8.32，小于标准值10。如图11 所示，超声动态波形图底噪非常低，维修前的锯齿形冲击完全消失，峰值从最高超过2000μV 下降到仅100μV，说明轴承状态良好。