一台杂用水泵振动异常诊断与处理

2022-02-08华电国际邹县发电厂李生伟曹景芳

电力设备管理 2022年24期

华电国际邹县发电厂李生伟曹景芳

1 概述

某电厂三期A杂用水泵，离心泵，型号150S78，流量160m³/h，扬程78m，配套功率55kW，工作转速为2980r/min，生产厂家为长沙山水泵业制造有限公司，输送介质为三期水源地来水。

进入夏季以来，三期A杂用水泵电机频繁出现电流超标问题，对造成电机电流超标的影响因素进行分析，检查电机无异常，主要原因为由于夏季杂用水量增大，泵的出力增大，造成电机电流超标。经过充分论证和分析，选择对泵叶轮进行改造，更换的叶轮将原约为25mm的出口流道变窄为22mm。泵检修主要内容有：更换机械密封2套，轴承两套，更换叶轮及口环，更换联轴器1套（含电机侧）。

检修完工后，启动A杂用水泵试运，振动值如下：电机驱动端轴承（因电机自由度有冷却风扇护罩，无法测量）水平25μm，垂直27μm，轴向24μm；泵驱动端轴承水平128μm，垂直80μm，轴向98μm，泵自由端轴承水平55μm，垂直60μm，轴向63μm。电机振动合格，泵驱动端轴承及自由端轴承振动均超过50μm的允许值。

2 离心泵常见故障及特征

2.1 质量不平衡

振动主要特征：一是振动值稳定，随转速的升高而增大；二是主要振动频率为1X转速频率；三是1X转速频率的幅值通常大于或等于通频值的80%；四是水平方向振动略大于垂直方向振动。一般范围在2到3倍左右；五是水平与垂直方向振动相位差约为90°（+/-30°）；六是径向振动通常比轴向振动大许多（悬臂转子除外）；七是不平衡转子通常在径向方向呈现稳定的、可重复的振动相位[1]。

2.2 对中不良

振动主要特征：一是轴向振动大。二是主要振动频率为1X、2X转速频率。三是联轴器两侧轴向或径向相差180度。四是如果2X大于50%或大于1X一般证明存在不对中的可能性较大。

2.3 轴弯曲

振动主要特征：一是轴弯曲一般会产生大的轴向振动。如果弯曲接近轴的中心通常主要以1X转速频率为主，如果弯曲接近联轴器，通常产生较高的2X转速频率振动分量。二是同一转子轴的两个轴承之间的轴向方向相位变化接近180°，这与弯曲的程度有关。此外，如果在同一轴承不同点的轴向方向做若干测量，通常会发现在轴承的左边和右边测量的相位之间发生接近180°的相位差，在同一轴承的上边与下边测量的相位之间发生接近180°的相位差。三是1X转速频率和2X转速频率的幅值通常是稳定的。四是在轴承座同一侧的上、下、左、右4个位置处的轴向相位有明显的差异。五是当旋转质量处存在较大的振动时，其呈现为质量不平衡。当联轴器出现较大的振动时，其呈现为不对中。

2.4 联轴器故障

振动主要特征：振动主要发生在联轴器两侧的轴承，如果电机转子质量和机械部分转子质量相当，联轴器两侧轴承振动均会存在异常，如果电机转子质量远小于机械部分转子质量，只有电机侧靠近联轴器轴承振动会出现异常，振动主振频率为基频，并伴随2X、3X频率成分[2]。

2.5 滚动轴承故障

滚动轴承一旦产生故障，可能会产生四种类型频率的振动，包括随机的超声频率，频率范围从约5000Hz到60000Hz超声频率范围；轴承零部件的自振频率，滚动轴承安装在机器上时的自振频率范围在约为500～2000Hz。滚动轴承的自振频率与转速无关，无论轴的转速高低其都处在一个相同的频率位置；轴承故障特征频率；轴承故障和频及差频。

滚动轴承故障特征频率与滚动体直径、滚动体数目、节圆直径、接触角有关，计算公式如下：

其中，FTF－保持架故障特征频率；BPFI－内圈故障特征频率；BPFO－外圈故障特征频率；BSF－滚动体故障特征频率；Fr=n/60转速频率r/s；Bd=滚动体直径；Nb=滚动体数目；Pd=节圆直径，滚动体间垂直距离；θ=接触角。滚动轴承的主要振动特征有：

一是轴承的故障频率与其他故障频率不同；二是轴承故障频率是转速频率的非整数倍；三是内外环故障频率的和频=“轴承滚动体通过频率”（滚动体个数×RPM）；四是轴承内环故障频率往往伴有1X转速频率的边带；五是轴承外环故障频率的幅值高于轴承内环故障频率的幅值；六是轴承故障一般在发展到滚动体和保持架出现故障之前首先出现的是内环或外环故障频率；七是轴承保持架故障频率通常不是以其基频出现；八是当滚动体本身出现故障时，往往会产生不仅滚动体故障频率（BSF），还有保持架故障频率（FTF）；九是轴承保持架断裂时，可能出现滚动体旋转故障频率；十是一个以上滚动体有故障时，将产生等于有故障的滚动体数目×滚动体故障特征频率的频率。换言之，如果存在五个滚珠或滚柱上有故障，往往将出现5×滚动体故障频率的频率。

2.6 机械松动

机械松动主要包括A型机械松动（结构松动）、B型机械松动（由摇摆运行或结构断裂和轴承座断裂引起的松动）、C型机械松动（旋转松动）三种类型。

A型机械松动（结构松动）主要特征。一是主要振动频率为1X转速频率。二是通常情况下径向振动较大，尤其是垂直方向振动较大。有时也出现轴向方向振动较大。三是垂直和水平方向的振动相位差为0°或180°。

B型机械松动（由摇摆运行或结构断裂和轴承座断裂引起的松动）。一是主要振动频率为径向1X、2X和3X转速频率；在严重的情况下还会有0.5X的转速频率。二是轴承座和基础相位差为180°。三是振动幅值不稳定，负荷高时，振动幅值很大。

C型机械松动（旋转松动）。一是通常振动幅值有明显波动。二是主要振动频率为径向1X转速频率的谐波，甚至能高达到10X。如果谐波频率幅值变大，也会产生检修0.5X转速频率等分数倍频率成分，即0.5X、1.5X、2.5X等。三是通常相位测量有些不稳定。

2.7 汽蚀

振动主要特征：一是振动频率范围往往在300～2000Hz。是随机的宽带能量谱。时常伴有叶片通过频率。二是发生汽蚀时，泵的两个轴承还有大的振动尖峰能量值。三是汽蚀往往产生奇特的噪声，轻微的汽蚀发出的声音通常像泵排出砂子的声音，而较严重的汽蚀时间发出的声音像卵石通过泵的声音。

3 振动诊断分析

使用便携式振动分析仪及Vm-63a手持式振动表对三期A杂用水泵进行振动信息测量：

表1 三期A杂用水泵振动值（测量工具：Vm-63a）

图1 泵驱动端轴承频谱图

图2 泵自由端轴承频谱图

由上述测量信息分析三期A杂用水泵振动具有以下特征：一是由表1可以看出泵驱动端轴承振动较大，泵侧两端轴承振动值差别较大，并且两端轴承垂直方向振动相对大，分析泵支撑存在异常；二是泵驱动端及自由端轴承主要振动频率为1倍转速频率，并有叶片通过频率，可能存在不平衡、松动、不对中、弯曲等故障（如图1和图2所示）；三是泵侧轴承解调频谱图及解调波形图中均未见明显故障特征，分析轴承无异常。四是泵侧自由端轴承垂直方向较水平方向大。对卧式转动设备而言，通常水平方向振动比垂直方向振动大，一般范围在2到3倍左右。而该泵振动情况异常，自由端轴承振速垂直方向振动是水平方向的约2倍，说明存在着松动问题。造成该类问题的原因通常有基础松动或轴承与轴承室间间隙配合松动两种。将测量点下移，对泵的四个地脚螺栓处垂直方向振动值进行测量，均在6～8μm，可排除基础松动因素[3]。

该杂用水泵泵体东西布置（如图3所示），主要靠进出口管道支撑。测量进出口管道振动情况，管道南北向布置，各部位振动值如图4所示，进口阀门处水平方向振动216μm，进口阀门前短节管道振动为146μm，穿墙管处振动为28μm，进口阀门后与泵体之间的管道水平振动为267μm，泵体水平方向振动为67μm，进口阀门与管道支撑主要靠泵体下的水泥支柱，用手可以感触到进口阀门与水泥支柱之间有间隙，接触处有“咬手”感觉。可以判断水泥支柱已起不到支撑作用。分析原因应为阀门及管道先安装，后制作水泥支柱，水泥支柱凝固后体积缩小，造成两者之间出现间隙，起不到支撑作用。进口管道系统振动大，对泵体也振动产生一定影响[4-5]。

图3 泵体结构布置

图4 进口管道支撑

与入口管线相对照，出口管线东西向水平方向振动情况如图5所示，振动最大值为20μm，出口阀门也是由水泥柱支撑，和进口门一样，水泥支柱凝固后体积缩小造成水泥支柱也起不到支撑作用，但在阀门处加装了一顶丝，解决了这一问题。

图5 出口管道支撑

图6 进口门管道支撑改造

在设备停运后，将进口阀门原水泥支柱去除后，采用钢板和钢管制作支撑，并在法兰处加一顶丝（如图6所示）。

再次启动测试三期A杂用水泵振动情况。为分析泵两侧轴承振动值差异大的问题，在联轴器位置加装反光带进行相位测量，测量数据见表2。

表2 三期A杂用水泵泵侧振动通频值及振动相位

测量过程中发现泵自由端轴承温度偏高，用红外热像仪测量泵侧驱动端轴承温度为45℃，自由端轴承问题为69℃。测量进口阀处振动为69μm，振动仍然偏大，进口管道振动减小后，三期A杂用水泵驱动端轴承水平振动减小20μm。

该杂用水泵驱动端轴承振动具有以下特征：一是振动值稳定，主要振动频率为1X转速频率；二是驱动端轴承1X转速频率的幅值通常大于通频值；三是驱动端水平方向振动略大于垂直方向振动；四是驱动端水平与垂直方向振动相位差为62°。符合质量不平衡的典型特征。

自由端轴承具有以下特征：一是垂直方向振动大于水平方向。二是水平方向相位与垂直方向相位相近。三是轴承温度偏高。结合泵基础无松动问题，分析泵自由端轴承温度高和垂直方向振动大问题原因为轴承与轴承室间隙超标。

造成质量不平衡的原因通常有原始质量不平衡、装配不适当、转子质量磨损、叶片有附着物或部件脱落等。泵驱动端叶轮为新加工叶轮，出厂前已进行检验动平衡合格，而且泵自由端振动相对幅值小，仅泵驱动端表现出质量不平衡特征，分析轴系质量不平衡量来自联轴器靠背轮，电机测量的振动值在合格范围内，质量不平衡量应来自泵侧联轴器靠背轮。

拆检泵侧联轴器靠背轮进行检查，发现靠背轮内孔大约与键槽相对位置处有一处缺损，不平衡量即来自此处。检查泵自由端轴承与轴承室间隙，发现间隙超过允许数值。

图7 联轴器泵侧靠背轮内侧缺损处

4 处理措施

对泵自由端轴承与轴承室的间隙调整至合格范围。针对联轴器泵侧靠背轮存着的质量不平衡问题，因该联轴器没有合适加重位置，更换备品联轴器靠背轮，并再次对进口阀门处支撑进行处理。处理后，启动试运合格，电流90A，泵侧振动值：驱动端水平10μm、垂直9μm、轴向10μm，非驱动端水平8μm、垂直8μm、轴向10μm，振动值优秀。