空分装置中冷冻水泵的故障分析及处理方法

王利聪，许敏，张砷钇

空分装置中冷冻水泵的故障分析及处理方法

王利聪，许敏，张砷钇

（河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

离心泵是化工生产装置中使用范围最广、数量最多的动设备之一，故障形式相对单一，故障原因便于发现和排查，但发生故障时若不能够及时发现，不及时处理，往往会演变成特殊的故障现象，多次检修均不能消除。结合冷冻水泵的实际案例，对长达5年之久特殊振动现象进行简述，对故障原因和处理措施进行分析和总结。

空分；离心泵；振动；故障；处理措施

冷冻水泵是空分装置预冷系统中重要的动设备之一，水冷塔里经过污氮气换热的冷冻水，从水冷塔底部流至冷冻水泵入口，经冷冻水泵升压后打至冷水机组或氨冷却器中进行换热制冷，后流至空冷塔中部向下喷流，与空冷塔内上升空气进行换热，从而保障空冷塔空气出口温度。冷冻水泵的运行情况关系到空冷塔出口温度的高低和分子筛的吸附效果[1]，夏季时会影响空分装置整体负荷和产能高低。近几年来，笔者公司一台冷冻水泵振动不断增大，形成一种特殊的振动现象，多年内采取各种措施，对其进行频繁检修，才将此故障消除。

1 冷冻水泵简介

本公司冷冻水泵采用广东肯富来泵业的单级端吸卧式离心泵，型号为KCP100X65-250，转速为 2 900 r·min-1，流量150 m³，扬程100 m，叶轮直径270 mm，汽蚀余量2.5 m。此泵采用机械密封，结构如图1所示。

1—锁紧螺母；2—垫片；3—叶轮；4—泵体；5—O型圈；6—泵轴；7—机械密封； 8—0型圈；9—泵盖；10—轴承压盖；11—轴承；12—轴承箱； 13—三角支架；14—泵轴

驱动端和负载端轴承分别采用6308-2RS1、6309-2RS1自密封深沟球轴承，轴承箱无加油孔，正常运行中无需添加润滑剂进行润滑，联轴器采用T150六爪聚氨酯梅花垫，由郴州华安的三相异步电机带动。此泵共设两台，位号分别为P01103和P01104（下文简称3号泵和4号泵），2007年投用，运行状态为一开一备，每月15号和30（31）号进行倒泵运转。

2 案例起因

2016年以前，两台冷冻水泵正常运行，因使用年限较长设备老化，两台水泵的振动逐步增长，但运行情况良好，驱动端的水平振动范围为3 mm·s-1左右、垂直端为2.0 mm·s-1左右，负荷端水平振动范围为1.4 mm·s-1左右、垂直端为1.0 mm·s-1左右，检修周期约为1至2年一次。2016年4月18日，巡检时发现4号泵驱动侧振动较高，水平方向 5.0 mm·s-1，垂直方向2.8 mm·s-1。对其进行检修处理，至此4号泵振值开始不断上涨。

3 处理过程与措施

3.1 更换轴承与复查对中

2016年4月18日，经过检查与分析，怀疑为轴承损坏，拆检更换前后轴承[2]，振动稍有降低，水平方向4.0 mm·s-1，垂直方向2.0 mm·s-1，但未达到以前的振动值。之后进行复查对中，但振动未再降低。

3.2 再次更换轴承

因对中复查无异常，怀疑为轴承装配异常。因轴承加热器损坏，轴承采用火焰加热法安装，使用乙炔火焰进行加热，因温度不易掌握[3]，怀疑加热温度较高，轴承加热不均匀，导致轴承损坏。待轴承加热器正常后，再次拆检更换轴承，加热温度100 ℃，安装后振动未下降。

3.3 更换电机

因泵振动未下降，且泵已拆检多次，怀疑电动机有问题，联系电气部门进行更换电机，振动依旧，暂排除电机异常问题，进行长周期试泵运转，运行过程中振动未出现明显上升，泵体温度50 ℃左右，投入正常使用，交替运行。

3.4 对轴及轴承箱进行测量

2017年2月，4号泵振值开始增长，驱动侧水平方向8.0 mm·s-1，垂直方向3.8 mm·s-1，对其拆检更换轴承，并使用V型铁和百分表，对泵轴进行打表检查圆周跳动，发现泵轴的跳动值符合要求，未出现弯曲等现象，暂排除泵轴。更换轴承回装进行试机，振值未变化，新更换轴承为skf的6308-2RS1、6309-2RS1，再次怀疑是否为轴承批次问题，新轴承存在故障、游隙较小等，导致运行时震动较大，为此将轴承更换为nsk的6309-2Z/C3、6308-2Z/C3，试运行后振值未变化，再次排除轴承问题。对泵轴的轴肩、轴承内孔、轴承外径、轴承箱的轴承座进行测量和检查，发现泵轴承箱的驱动侧轴承孔出现磨损现象，经检查发现，轴承的外径符合轴承的标准范围内，但轴承箱的轴承内孔尺寸偏大，大出正常范围值0.5 mm，此处轴承型号为6308-2RS1，轴承在拆装过程中较为轻便。因此，判定为轴承箱驱动侧轴承孔座磨损，因轴承箱形状复杂，材质为铸铁，厂内无法焊接加工，遂对轴承孔进行打麻点后安装轴承[4]，后进行安装试泵，此泵振动仍未降低，进行备泵运行，同时加急采购原厂的轴承箱。

3.5 更换泵轴、泵壳

因此泵的运行状态为一开一备，每月的15号和30（31）号进行倒泵运转，在试泵期间对泵体进行划线做标记，进行每班一次定点测振，观察振动的波动情况，无扩大趋势后，进行正常使用，并加强运行监测。同时在原厂的新泵轴到货时，利用机会对泵轴进行了更换，但振值未有明显的变化，同时发现泵壳在运行期间流水冲刷严重，多次焊接均无法彻底消除并出现了裂纹现象，更换原厂泵壳。

3.6 更换新原厂轴承箱

2018年4月，待原厂的轴承箱到货后，利用机会对轴承箱进行更换，更换前此泵的驱动端的水平振动已升至10.4 mm·s-1左右、垂直端为6.0 mm·s-1左右，负荷端水平振动已升至5.8 mm·s-1左右、垂直端为3.5 mm·s-1左右，更换新的原厂轴承箱后，两轴承振动大，驱动端水平振动振值升至16 mm·s-1左右、垂直端为10 mm·s-1左右，温度上涨快，5分钟约45 ℃，并出现机组增涨现象，经过多次拆装与尝试，发现采用新轴承箱振值不仅未降低，且多次上升，无法使用，为此仍换回原有轴承箱，驱动端水平振动稳定至10 mm·s-1左右、垂直端为 6.0 mm·s-1左右，温度20 ℃左右，长周期运行时振值无变化，经试运行后长周期备泵。

3.7 国产轴承箱的尝试

4月18日，经过检查与分析，怀疑为轴承损坏，拆检更换前后轴承，振动稍有降低，水平方向 4.0 mm·s-1，垂直方向2.0 mm·s-1，但未达到以前的振动值。后进行复查对中，但振动未再降低。

3.8 更换新泵

因各项措施均无法消除此异常振动，为此加急采购了一台同型号、同厂家的新泵，在此期间，正常运行时振值为：驱动端水平侧10.4 mm·s-1左右、垂直端为6.0 mm·s-1左右。轴承故障时的振动为：驱动端水平侧15.9 mm·s-1左右、垂直端为9.0 mm·s-1左右，故障周期约为半年一次。2019年5月份新泵到达，为保证新泵的运行质量，减少装配误差，对新泵进行整体安装，脱开旧泵进、出口法兰和地脚等螺丝，采用整体更换新泵的方式，试运行时驱动端水平侧30 mm·s-1左右、垂直端为15 mm·s-1左右，复查对中，调整靠背轮间隙，紧固泵体驱动端侧三角支撑架，对电机进行检查、更换等，驱动端水平侧降低至15 mm·s-1左右、垂直端为8 mm·s-1左右，轴承温度上涨较快，仍无法正常使用。

对水泵进出口管线进行检查、测振，发现进出口管道振动较大，出口止回阀振值较大，对进出口法兰进行脱开，并将泵安装牢固，并与电机进行对中，发现进出口法兰错位严重，螺栓孔存在错位、偏移，如果强行安装，则存在较大的应力无法消 除[5]。将进出口管线进行切割，先与泵体法兰进行对眼安装，后焊接进出口管道，焊接完毕后重新紧固进出口法兰。再次对泵进行对中，试机后振值水平4 mm·s-1左右、垂直端为2 mm·s-1左右，运行正常，开始正常运行，运行周期约半年。

3.9 振动再次异常上升

2020年2月21日，点检时发现两台冷冻水泵振动同时上升，现对3号泵进行检修，3号泵电机声音异常，驱动侧水平振动上涨至6 mm·s-1，拆检发现轴承损坏，更换轴承及机封[6]。试机声音正常，振动4 mm·s-1，但与前期运行状况相比，振值稍有上升趋势。22日对4号泵进行拆检，4号泵电机声音异常，流量下降，振值上升至6 mm·s-1，更换前后轴承及机封，对中数据在10道以内，试机后振值较大，上升至9 mm·s-1。怀疑泵头内部叶轮未装牢固、或有剐蹭，泵头内部出现损坏等现象[7]，但拆检后一切正常，先观察运行。

2020年3月28日，4号泵泵体振动上升至 12 mm·s-1，对其进行更换轴承，同时检查进出口管线，但安装后振值仍无变化，只能继续观察运行。7月4日，发现3号泵泵体振动突然增大至40 mm·s-1，立即对泵进行检查，发现联轴器弹性垫损坏，更换聚氨酯弹性垫，同时对泵进行了拆检，试运行正常。在后期倒泵中，发现4号泵出口阀内漏较大，开关无反应，4号泵停泵后出现倒转现象，只能将4号泵进口阀关闭，但因压力较高，泵前过滤器年限长，壁厚腐蚀造成壳体泄漏，为避免加剧，启4号泵长期运行。

3.10 加固基座支撑

直至12月份短停小修，对4号泵进行更换出口阀和过滤器，检查止回阀，因长期运行半年，对其例行拆检，更换轴承和机封，但安装后振值上升，上升至15 mm·s-1，对其进行复查，但未发现异常，再次更换泵头，安装前期的旧泵头，试泵后未变化。因新过滤器体积较大，且未拆开检查，怀疑新过滤器内部堵塞，拆检过滤器发现无异常，对进口管道进行检查[8]，但因时间较短，公司内窥镜长度有限，在可及范围内未见异常，同时对水冷塔底部进行了清淤，均未发现异常。怀疑新过滤器较重，造成管道应力，对泵体进出口管道法兰脱开，发现无偏移等，使用螺旋千斤顶、枕木等对进口、出口管道进行支撑测试，发现振动稍有降低，但作用不大。对蜗壳、进口管道、出口管道、止回阀、泵体等各部位进行测振，发现振值均偏高，后对泵体底部基座及支撑进行检查，发现基座震动较大，怀疑为年限较长，出现腐蚀减薄，降低了承受力[9]，对其使用钢板做三角板进行加固，加固前后如图1、图2所示，加固后振值降低至10 mm·s-1，进行备泵。

图2 加固前

图2 加固后

3.11 更换梅花垫

公司前期使用的梅花垫大多为聚氨酯和橡胶材质，后因聚氨酯较为耐磨，使用周期长，后期所购买的均以聚氨酯材质为主，颜色为青绿色或黄绿色，硬度较大[10]，在其他动设备运行中，使用效果良好。4号泵在前期的维修过程中，也曾更换过各种材质的梅花垫，但效果甚微。2021年3月29日，4号泵振动突然上升至19 mm·s-1，因前期新、老泵头在使用过程中振值相同，为减少现场检修时间，直接进行更换泵头。同时经与供货商联系，到货了橙黄色的梅花垫，此梅花垫硬度低，材质柔软，弹性大，便对梅花垫进行了更换，试机后驱动端水平振值 3.8 mm·s-1，垂直振值1 mm·s-1，泵体振值正常，声音正常，轴承温度较低，长周期试运行，振值未出现变化。

4 结束语

1）虽然单级端吸离心泵结构简单，相比其他形式的离心泵而言，故障形式单一，故障原因便于发现和排查，但遇见特殊的振动现象时，往往是由多种因素组合而成，对于特殊的振动现象，必须逐步去排查和尝试，尽早消除异常振动，可以减少设备的损坏程度。

2）此泵在维修期间，也曾换过不同的梅花垫，但均未达到理想状态，且聚氨酯梅花垫在同种型号的泵中运行正常；同种型号的泵在正常运行中，会根据自身的运行情况而出现自身独有的损伤，导致同一种梅花垫在同一型号的泵中不一定适用。

3） 材质较软的梅花垫受到挤压易出现变形等现象，而材质较硬的梅花垫，容易出现破碎的现象，当梅花垫出现挤压变形、破碎等均会导致泵的振动突然增大，且上升较快，振值较高。

4）离心泵出现振动增大时，通常首先考虑的便是轴承是否损坏，对中是否完好，而更多的忽略梅花垫的因素。梅花垫的材质与离心泵的振动息息相关，不同材质的梅花垫，成分不同，硬度不同，弹性亦不同；即使同种材质的梅花垫，所含的成分亦不同。使用不同材质的梅花垫，同种工况下会产生不同的振值，选择合适的梅花垫，有利于泵的长周期运行。

[1] 贾旭东.如何降低大型空分装置空冷塔出口空气温度[J].神华科技，2019，17（7）：76-78.

[2] 吴立业，程英辉.透平压缩机电动机的振动故障诊断及现场动平衡[J].冶金动力，2017（5）：29-30.

[3] 张臣利，杜强，蒋立峰.离心泵自激振动原因分析及解决措施[J].辽宁化工，2019，48（2）：188-190.

[4] 张翼飞，杨悦来，谢小青.管路受力诱发高扬程离心泵振动加剧原因分析[J].水泵技术，2021（3）：25-29.

[5] 彭涛.离心泵机械密封泄漏现象及维护对策研究[J].现代制造技术与装备，2021，57（6）：127-128.

[6] 张朋朋，毋喜变，高慧洋.熔融尿素升压泵故障处理[J].化工设计通讯，2013，39（1）：55-56.

[7] 肖树剑，彭涛.离心泵机械结构改进设计策略[J].内燃机与配件，2021（7）：94-95.

[8] 刘勇.离心泵的性能特点及应用[J].化工设计通讯，2018，44（8）：94.

[9] 王涛，张永群，陈曦，等.基于装配式技术加固的砌体墙片的力学性能研究[J].工程力学，2014，31（8）：144-153.

[10] 侯松. 齿轮泵运行故障原因分析及对策[J].大氮肥，2019（S02）：3．

Fault Analysis and Treatment of Chilled Water Pump in Air Separation Unit

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（Henan Longyu Coal Chemical Co., Ltd., Yongcheng Henan 476600, China）

Centrifugal pump is one of the most widely used and numerous moving equipments in chemical production units. The failure form is relatively single, and the cause of the failure is easy to find and troubleshoot. However, if the failure is not found and handled in time, it will often evolve into a special failure phenomenon, which cannot be eliminated after repeating maintenance. Combined with the actual case of chilled water pump, the special vibration phenomenon for five years was briefly described, the fault causes and treatment measures were analyzed and summarized.

Air separation; Centrifugal pump; Vibration; Fault; Treatment measures

2021-08-02

王利聪（1989-），男，山东省金乡县人，工程师， 2021年毕业于青岛理工大学，研究方向：化工机械。

TQ050.7

A

1004-0935（2022）03-0346-04