高压液氨泵振动周期性波动原因分析

魏 傲，陈武东

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）

0 引言

旋转机械的振动故障种类繁多，并且各自对应着不同的机理，即使是相同的表征现象，其内在机理也不一定相同，其中，振动周期性波动是这类典型故障。导致振动周期性波动的原因很多，实践中应追根溯源，找到产生波动的根本原因，才能进行准确判断，采取有效的措施消除故障。

海洋石油富岛有限公司化肥一期年产52万吨尿素装置，采用从意大利Snam公司引进的氨气提法生产工艺进行大颗粒尿素生产，是国内第一套生产大颗粒尿素的装置，主要生产直径2.0～4.0 mm的大颗粒尿素，产品符合国标GB 2440—2001《尿素》要求。高压液氨泵作为尿素装置的关键设备，其主要作用是将液氨升压到反应所需要的压力。

1 工艺流程

海洋石油富岛有限公司化肥一期尿素装置使用的高压液氨泵（P101A/B）是中速多级离心泵，由意大利新比隆（NUOVO PIGNONE）公司设计并制造，工艺流程如图1所示。

图1 尿素装置工艺流程

合成装置供给的液氨首先通过氨过滤器（S102）进行过滤，然后进入氨受槽（V105）中，再进入氨升压泵（P105）进行加压，压力达到到2.5 MPa后进入到高压氨泵（P101），通过多级压缩加压，当压力升至22.35 MPa后通过氨预热器（E107）进行预热处理，最后通过甲铵喷射器（L101）混合喷射进入尿素合成塔（R101）中发生化学反应生成尿素。

2 设备结构

海洋石油富岛有限公司化肥一期装置所用的高压液氨泵（P101A/B）结构组成为单缸、二段、十级叶轮的中速离心泵，其型号为：4×10-DDHF/10ST，装置现场配备2台泵，一开一备,其主要性能参数如表1所示。

表1 多级离心式高压液氨泵（P101B）主要技术参数

如图2所示：高压液氨泵分为泵体内缸和泵体外缸两个部分，外缸为筒式结构，内缸为水平剖分式结构；转子包含10级叶轮、中间衬套、平衡衬套、轴套以及轴等；采用干气密封作为端面密封，型号：28VL/28VL串级式，为英国约翰·克兰（JOHN CRANE）公司产品；采用可倾瓦式轴承作为径向轴承，金斯伯雷型轴承为止推轴承。按照设计要求，高压液氨泵正常运行时转子各部位间隙及跳动值应在一定范围内（图3）。

图2 高液氨泵结构

图3 高压氨泵转子各部位间隙及跳动值要求（单位：mm）

3 故障现象

2019年4月海洋石油富岛有限公司尿素装置高压液氨泵（P101B）检修后试车，DCS显示振动值如图4所示，泵体两端轴承振动值均在40μm以上，运行温度正常。运行0.5 h后停泵备用。

图4 DCS系统振动值

2019年11月21日，将高压液氨泵倒泵至P101B运行。经过一段时间的运行，P101B驱动侧振动值V41252C/D呈现出周期性波动现象，且同一侧的两个探头的变化趋势相反，波动周期约为24 h，持续时间约为5 h。振动值波动趋势如图5所示。

图5 振动值波动趋势

4 原因分析

根据机泵运行参数进行分析，引起该泵产生振动周期性波动的可能原因有碰摩、油膜失稳、存在莫顿效应、转子存在不平衡量等。

由于该泵未接入状态监测系统，无法通过具体的频谱图进一步判断。现场采用手持测振仪测得壳振频谱。驱动侧轴承振动频谱如图6所示，止推侧轴承振动频谱如图7所示。结合频谱所示的的主要频率组成，就上述4种可能引发设备振动值出现周期性波动的原因展开分析。

图6 驱动侧轴承振动频谱

图7 止推侧轴承振动频谱

4.1 碰摩

碰摩是机泵运行中的常见故障，它可能发生在机泵的任何位置。海洋石油富岛有限公司化肥一期所用的高压液氨泵口环间隙标准值为0.40～0.80 mm，该转子在安装过程中的最小间隙为0.32 mm，对应轴径处跳动为0.13 mm，因此在转子运行过程中极可能产生碰摩，从而产生热弯曲。在碰摩产生后振动趋势和相位呈现周期性波动是碰摩带来的一种常见现象，但由于摩擦是一个非线性响应的过程，所以相位和幅值的变化不是重复的，导致振动幅值和相位的重复性较差。但是碰摩的另外一个特征是其产生的频率也是精确的1×。根据现场所测振动频谱来看，高压氨泵驱动侧主要频率为1×、4×和5×，止推侧频率为1×，无法排除碰摩的影响因素。进一步分析需待机泵解体检修时检查口环及轴承磨损状况。

4.2 油膜失稳

油膜失稳是转子运转中产生的一种自激振荡，可以分为油膜涡动和油膜振荡两种形式。由于使用滑动轴承的转子中存在因偏心质量导致的不平衡力，加上轴承本身交叉刚度系数限制，使得转子系统中出现了失稳因素。当油膜失稳发生时，可能导致振动值出现周期性波动的现象。

当转子处于低转速运行状态且负载保持不变，在受到外部力量干扰时，转子轴颈在弹性变形力的作用下仍然能够回到原来的平衡位置。随着转速的升高，当达到一定转速后，弹性变形力将无法抵抗外部干扰力，导致转子轴颈无法再回到初始位置，其中心将会沿这一个近似椭圆的封闭轨迹运动，继续升高转速，运动轨迹则会成为一个极不规则的扩散曲线，这时便形成油膜的失稳[1]。

高压液氨泵转子运行转速为7500 r/min，而转子临界转速＞9000 r/min，不满足形成油膜振荡的条件，因此可以排除油膜振荡的因素，但是满足油膜涡动的形成条件。油膜涡动的一个重要特征是其频率为0.5×，与现场所测量的频谱不符，因此可以排除油膜涡动的存在。

4.3 莫顿效应

转子的运动可以分解为自身转动和绕静态平衡点的涡动，相比较其他点而言，转子轴颈表面的最高点距离轴承内表面最近，这个点称为高点。高点在每个转动周期内都会以最小高度经过油膜的最薄处，而在此处的产生的黏性剪切力最大，油膜的黏滞能量也最大，导致这个点的温度比其他点的温度都高，所以将这个点称作“热点”。热点对应的另外一端则始终是距离轴承内表面最远的点，此处的温度相对而言比较低，由于存在温度差，所以在轴颈处会产生一个热量梯度，进而产生剪切力。当剪切应力不够大时，转子由于本身的刚性，不会受到影响；但当剪切应力增长到一定程度时，转子开始产生弯曲变形，最终导致的结果就是1×振动幅值增加。在转子系统中，当由热变形产生的弯曲不平衡质量和转子原本就存在的不平衡质量进行矢量合成，使得转子的高点位置发生改变，进一步导致振动幅值和相位发生改变，最后使得热点的位置发生改变，形成新的弯曲点，同时产生新的临时不平衡质量，和原始的不平衡质量再次进行矢量合成，又使得高点发生进一步变化，直至高点转动1周，然后开始进行新的循环[2]。莫顿效应的内在机理如图8所示。

图8 莫顿效应原理

莫顿效应的表现特征如下：

（1）周期性的有限的振动幅值和相位的变化。

（2）通过改变润滑油的温度可以使得振动的周期和幅值出现明显的变化。现场处理措施：①调整径向轴承间隙，将驱动端轴承间隙减小至设计值下限。发现机泵运行振动值和波动周期都发生了变化；②减小调整油冷器循环水量，使油温上下变化1℃，发现机泵运行振动值和波动周期也都发生不同程度的变化。由此说明驱动端轴承振动周期性波动的现象明显受到油温变化的影响。因此，无法排除莫顿效应的影响因素。

4.4 存在不平衡量

根据现场所表现出来的现象，也存在转子动平衡不佳的可能。该转子在上次修复中采用皮带传动的方式进行动平衡试验，精度等级达到G1.0。皮带传动方式如图9所示。

图9 皮带传动示意

由于该高压液氨泵转子轴径＜60 mm，长度达到2780 mm，为典型的细长轴转子。在“干态”条件下，该转子为柔性转子。特别在使用时间超过20年，刚度下降的情况下，采用皮带传动低速动平衡方式会造成动平衡过程中转子的弯曲，而在实际“湿态”运行过程中转子成为刚性转子。因此，在试验台上获得的动平衡数据与实际运行中的动平衡数据可能会存在较大偏差。同时，结合具体情况来看，该转子在上一次动平衡校正的过程中，存在对叶轮去重过多的问题，因此也存在动平衡不佳的可能性，需要在解体检修中对转子数据进行进一步分析。同时对备用转子的修复方案进行调整，改变转子动平衡方式，采用加工专用靠背轮直接连接的方式进行动平衡校正，连接方式如图10所示。校正后的转子动平衡精度等级同样达到G1.0。

图10 靠背轮直连传动示意

高压液氨泵更换转子投入运行后，振动值大幅度下降，说明转子存在不平衡量是导致振动值出现周期性波动的原因之一。

4 停机检查情况

因高压氨泵振动值缓慢增长和周期性波动，驱动侧振动值最高VI41252D已上涨至70μm，同时驱动侧干气密封出现泄漏，因此对高压氨泵停机检修。经检查发现：

（1）盘车轻松无卡涩。

（2）联轴节组件未发现弹性膜片有破损或变形。

（3）对中数据满足设计要求。

（4）径向轴承下瓦块存在轻微的磨痕，轴承瓦块厚度未发生变化。

（5）平衡毂套与轴套配合处、段间套处，一段3处叶轮口环处有磨痕。

（6）转子各部位跳动值与使用前相比明显增大，均已经超过设计值0.1 mm，但轴承处轴颈跳动值通过打表测得数据为0，据此可以判断没有莫顿效应存在，但转子存在明显的弯曲变形。

5 处理措施

现场采用更换转子组件的方式进行处理，在动平衡校正精度同样为G1.0的条件下，更换转子后机泵运行振动值明显降低，且保持平稳，振动值周期性波动现象消失。驱动侧振动值：VI41252C：13.0μm，VI41252D：26.9μm；止推侧振动值：VI41251C：11.2μm，VI41251D：5.9μm。目前，此台高压氨泵运行1年，机泵参数保持稳定。

6 结论

（1）引发旋转机械振动值出现周期性波动的因素很多，有条件的情况下可以通过频谱分析的方式进行故障排除，此外也可以通过改变转子润滑油温、观察振动波动情况的变化来进行故障诊断。例如：碰摩和莫顿效应引发的振动值周期性波动现象的原理和表现均有不少相似之处。可以分析其内在原理，结合表征现象和频谱对其进行区分：①碰摩是接触性的热弯曲，而莫顿效应是非接触性的，可以在机泵解体检修时候观察磨损情况，据此进行辨别；②如果机泵装有状态监测系统，可以通过频谱图中的极坐标图谱来进行区分。由于碰摩的产生是非线性的，导致其引发的振动幅值、相位在图谱上呈现重复性差的特征，而频谱图显示为比较离散的圆环。相反，莫顿效应由于线性较好，在极坐标图谱中显示为重复性较好的圆环。

（2）对于此类细长轴转子，在“干态”和“湿态”条件下，转子的性能会有极大的区别，因此在低速动平衡的时候，优先采用靠背轮直连的方式，可以消除转子弯曲变形来带的干扰，获得更加真实的动平衡校正结果，以确保转子在运行过程中的动平衡状态完好。