给水泵振动故障原因分析及对策探讨

卢锦煜

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，上海 200540)

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)热电部汽机联合装置的锅炉给水泵，自2016年大修后投用以来，运行一直比较稳定。2021年3月发现给水泵4的5#轴瓦的水平振动位移值为70 μm(预设的振动位移报警值为50 μm)，停泵后手动盘车无异常，开泵调整出力后振动无明显好转，检查了轴瓦及联轴器，仍未查到明显的异常现象。因此，委托专业的检测公司对给水泵4运行的振动情况进行检测，检测报告中显示5#轴瓦的水平振动速度值为10.10 mm/s(预设振动速度报警值为7.10 mm/s)，泵无法投入正常运行。

针对引起轴系对中偏差的影响因素进行逐项排查[1]，经过多次振动检测和分析，同时结合给水泵4的运行、检修情况，采取了相应的解决措施，最终找出了引起给水泵振动超标的根本原因。通过拆除泵座、对4个泵座螺栓孔进行扩孔攻丝和配制专用螺栓，终于消除了导致5#轴瓦振动超标的影响因素，5#轴瓦的水平振动速度值下降到1.4 mm/s。

1 设备概述

1.1 基本结构及主要参数

给水泵4为DG270-140B型锅炉给水泵，其结构示意如图1所示。作为高压50 kW机组或母管制给水系统的配套给水泵，给水泵主要由定子、转子、平衡机构、轴端密封和轴承等组成。泵体通过液力耦合器与电动机连接，转子由10级叶轮组成；泵的进水段、中段和出水段的静止密封面由金属面密封；整个转子由两端的滑动轴承来支撑；轴封采用填料密封结构形式；泵体采用平衡盘转向力对转子进行轴向定位。给水泵的基本参数见表1。

图1 给水泵结构示意

表1 给水泵的基本参数

续表1

1.2 安装标准

给水泵的安装需要注意对联轴器复校中心，并测量推力间隙、轴瓦间隙。联轴器中心允许偏差的标准：端面偏差小于0.06 mm，圆周偏差小于0.05 mm。考虑到液力耦合器的作用，端面偏差不变，圆周偏差为0.15～0.20 mm；推力间隙为±0.10 mm，当止推盘工作面与止推块接触时，平衡盘与平衡套间隙为0.04～0.08 mm。泵轴瓦安装标准：轴瓦紧力为±0.02 mm；轴瓦顶部间隙为0.080～0.195 mm，轴瓦两侧间隙为0.04～0.10 mm。

2 原因分析、对策实施和实施效果

2.1 原因分析

2021年3月发现给水泵4的5#轴瓦的水平振动位移值达到70 μm，振动位移值严重超标，立即委托检测单位对该给水泵组的各个轴瓦进行测振，给水泵组的各测点如图2所示，振动测量数据见表2。

图2 给水泵组各测点示意

表2 各测点的振动速度值 mm/s

从表2可以看出：电机侧轴瓦振动速度最大值为2.82 mm/s，电机振动速率未超标；液力耦合器两侧轴瓦振动速度最大值为4.85 mm/s，其轴向振动速度值也偏大；泵侧轴瓦振动速度最大值为9.41 mm/s，远远超过了标准振动速度上限值7.10 mm/s。这一现象表明，该给水泵组的主要振动源不是来自电机侧，而是来自泵侧。为了进一步确认振动超标的故障原因，对振动速度值较大的测点5、6进行频谱分析。

频谱分析报告显示：垂直方向的主要振动频率为工频和2倍频，且2倍频分量大于工频分量；水平方向的主要振动频率仍为工频和2倍频，但以工频为主；轴向的主要振动频率也集中在工频和2倍频，但它们对应的幅值相近且不大。轴向除工频分量高外，还存在7倍频分量略高于工频分量的情形。另外，轴向振动速率频谱图中也存在高次谐波和分数谐波成分，但幅值不高，总体状况良好。

由频谱分析结果可知，液力耦合器和泵疑似存在不对中的现象，除此之外，可能还存在机械松动的故障。结合表1的数据来看，泵水平方向的振动远大于垂直方向的振动，怀疑其水平方向的刚性较差。另外，建议对联轴器进行检查并复校中心，同时检查轴承盖及支座、轴瓦和基础螺栓是否存在松动的迹象。

在给水泵开启出口阀门前后，测点5、6分别采集了两组数据，振动测量数据见表3。

表3 出口阀门开启前后测点5、6的振动速度值 mm/s

表3数据表明：在出口阀门开启前后，泵侧的振动无明显变化，且振动最大点在泵的5#轴瓦处，说明出口管道对给水泵组的振动影响较小。

根据频谱分析报告，决定停泵进行检查。在给水泵解体检查时发现：①测点5处(低压侧)轴瓦钨金发生脱落现象，如图3所示；②联轴器柱销损坏较严重。经讨论后采取以下改进措施：①更换新的轴瓦，保证泵的动静间隙正常；②更换新的联轴器弹性柱销，保证泵和电机的中心位置准确。

图3 轴瓦钨金脱落

采取上述措施后，检查液力耦合器处靠背轮晃度并复校中心。对中合格后进行试车，发现泵侧轴瓦振动速度值仍偏高。停泵，再次复校中心，此时联轴器端面偏差为0.42 mm，圆周偏差为0.80 mm，远远超过了联轴器中心允许偏差范围，且与试车前的对中数据相差甚远。由于频谱分析报告显示泵水平方向的刚性较差，怀疑泵座与泵体间的4个连接螺栓存在松动迹象，用手触碰后发现紧固后的连接螺栓左右晃动，细致观察后发现泵座螺栓孔螺牙磨损严重，导致螺栓紧力明显不够，如图4所示。

图4 泵座螺栓孔螺牙磨损

2.2 改进措施

泵座螺栓孔螺牙磨损后，螺栓开始松动，这将直接影响预紧力的大小。没有预紧或预紧力不够，螺栓会失去泵座和泵体间的连接作用，因此紧固螺栓时，必须对预紧力和紧固扭矩加以控制。当螺栓拧紧时，在轴向预紧力F0的作用下，螺栓会产生拉伸应力σ；同时在扭转力矩(T)的作用下，螺栓会产生剪切应力τ，如图5所示。因此，螺栓紧固时会受到拉伸与剪切的复合应力σ1的作用，其受力状况应用第四强度理论进行分析。

(a)拉伸应力 (b)剪切应力

螺栓拧紧时，若要保证螺栓不被拉长或扭转而失效，其强度条件应满足：

[σ]≥σ1=1.3σ，式中[σ]为许用应力。

给水泵的泵座与泵体通过4个种植螺栓连接，该螺栓为外六角螺栓，且均匀分布在泵座的左右两侧。当给水泵的泵轴发生较大的振动时，泵轴在泵座中心会集中施加轴向工作载荷P和旋转力矩M。对单个螺栓进行受力分析，如图6所示。

图6 螺栓受外界载荷作用时的受力分析

由二力合成原理及余弦定理，可得合成后的工作载荷F3：

泵座螺栓孔的内螺纹为M42 mm×3 mm的细牙螺纹。经查阅五金手册及相关行业标准可知：螺栓强度为8.8级、公称直径为M42 mm的外六角螺栓，其预紧力和紧固扭矩分别为526 kN和3 950 Nm；螺栓强度为8.8级、公称直径为M45 mm的外六角螺栓，其预紧力和紧固扭矩则分别为616 kN和4 950 Nm。因此，决定对4个泵座螺栓孔进行扩孔攻丝，配制M45 mm×3 mm的专用种植螺栓，提高螺栓的预紧力和紧固扭矩。

2.3 实施效果

改进措施实施后，泵座外修返厂,然后就位安装。安装完成后，对泵的装配质量标准进行复测，测量数据如下：端面偏差为0.02 mm，圆周偏差为0.20 mm(如图7所示)；推力间隙为0.10 mm，平衡盘工作端面的轴向跳动为0.02 mm。泵轴瓦及其螺栓安装要求：轴瓦紧力为0.01 mm；轴瓦顶部间隙为0.18 mm，轴瓦两侧间隙为0.08 mm；推力盘安装后窜动量为2.9 mm，转子总窜动量为6.36 mm，符合给水泵安装标准。

图7 联轴器复校中心

2021年4月给水泵4再次启动并试重车，对该给水泵组的各个轴瓦进行振动测试，测量数据表明各个轴瓦的振动速度值均明显下降，具体数据见表4。其中，5#轴瓦的水平振动速度值下降到1.4 mm/s，说明该给水泵组的运行状况良好。

表4 各测点的振动速度值 mm/s

3 结语

影响给水泵振动故障的因素较多，对测振数据进行频谱分析，制定合理的检修方案。通过解体检修，找到造成振动超标的核心因素所在，然后采取行之有效的处理措施：对泵座螺栓孔进行扩孔攻丝，保证足够的螺栓紧力；通过更换联轴器弹性柱销和轴瓦，保证泵的中心位置和动静间隙正常。上述处理措施严格执行后，消除了导致泵振动超标的核心因素，解决了泵振动故障的难题，保证了泵的安全平稳运行。