多级离心式鼓风机故障分析及解决措施

程玉春

（国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头 014010）

1 概况

某煤制烯烃项目污水处理装置安装了三台多级离心式鼓风机，该风机正常情况下两开一备，主要作用是向污水曝气O池输送空气，为活性污泥提供氧源。风机自2016年开始投入运行，运行至1a多时三台风机振动值开始上升，最大振动值达到18mm/s（标准值控制在7.1mm/s以下）。三台风机陆续切换维修，但修复后运行了三个月左右振动还会升上来，为此开展了故障诊断分析工作。

卧式多级离心式鼓风机主要参数：规格型号MC120-1.734/0.914；功率250kW；风量6000m3/h；入口常压；介质空气；出口风压0.086MPa（表压）；额定转数2979r/min；级数9级叶轮；级间梳齿密封；出口温度≤120℃，高压电机驱动。

2 故障分析

2.1 数据采集

对多级离心式鼓风机运行一段时间（从运行到振动超标的前一个月计算）的振动数据进行定期状态监测。使用VBT35型状态监测仪，HG8902故障诊断系统（频谱分析仪）定点监测。振动监测位置见图1。

图1 风机振动监测点

风机布置四个离线振动监测点，每个测点分别从X（水平）、Y（垂直）、Z（轴向）三个方向测振值，见表1，监测数据周期为一个月。

表1 风机故障处理前振动值（mm/s）

2.2 数据分析

先后对风机进行了一个月（4周）的振动数据测量，从测点数据中发现，测点①风机非轴伸端X轴水平振动最高18.0mm/s，Y轴振动偏高达到12.3mm/s，测点②水平X轴8.6mm/s，垂直Y轴7.2mm/s接近标准值，③和④水平振动值均高于垂直和轴向振动值。到了第4周风机振动烈度趋势不断上涨，已不能连续运行。诊断小组采用HG8902故障诊断系统（振动频谱仪），利用振动速度V对中频信号（1kHz以下）有很强敏感性，能够反映质点运动的快慢，监测动能对设备的破坏[1]，作出频谱图（见频谱图2）。

图2 风机在1kHz以下监测振动值相对数值

结合风机振动数据及设备结构特点分析频谱图：风机振动以第1周振动数据（良好状态4.8mm/s）数据作为初始值（即基频1k，50Hz），将风机运行中实际测得的值与初始值比较，按实测值达到初始值的倍数来判别设备的状态，即为旋转机械振动诊断相对标准。相对标准的判断须有两个依据：①实际测量振动值与其初始值之比；②所测振动信号的频率范围。相对标准将设备状态的评判分为三个等级：“良好”“注意”“危险”。频谱图2中振动频谱除基频1X即50Hz23-5X（150～200Hz）时却有明显的峰值，并伴有1倍频，特别3、4倍频谱比较大，振动不稳定并且水平振动较大、轴向振动小，轴心轨迹杂乱，初步分析认为是出现了机械松动故障，或是基础松动，或是转子出现共振或不平衡，或轴承内圈或外圈配合过松。

状态监测认为不排除共振影响，共振存在于结构的所有部件，包括旋转轴临界转数共有频率，甚至在管路和水泥地板等，识别共振的简单方法是比较同一轴承三个方向水平、垂直和轴向的振动值，如果某一方向的振动大于其他方向的振动三倍以上，而风机非驱动端水平振动值大于轴向振动值的3倍左右，并且运行到第4轴所有测点振动值具有上升趋势，三台风机都会反复性地出现，为此不排除风机基础共振问题。

随后对风机、电机基础地脚螺栓进行了检查，紧固良好没有发现松动，用VBT35型状态监测仪对基座四周振动进行了检测，数据平均在5.5mm/s左右，其中有一处6.2mm/s（接近风机振动标准值 7.1mm/s），风机正常运行时基础不应该有明显振动，一般在0～1mm/s，不超过2mm/s，可以判断基础薄弱或产生振动。

2.3 分析结果

（1）风机基础振动值偏大，基础可能出现共振，停机检查基础，基础或机座的刚性不够或不牢，基础钢板薄弱、垫铁松动、位移、地脚螺栓松动等引起的振动。

（2）从频谱图和监测数据来分析，风机9级转子共振或不平衡，需要停机检查转子与轴配合情况，叶轮与主轴配合间隙，风机联轴器中心找正及轴承磨损，联轴器与轴配合间隙等情况，并需要对转子做动平衡试验。

（3）鼓风机喘振分析。鼓风机的喘振现象是一种常见的现象，直接影响了鼓风机的使用情况，影响鼓风机喘振现象的因素有以下几种：

①鼓风机进气状态。在实际生产中，进（排）气量忽然减少、机械故障、鼓风机转速忽然降低、进口风道过滤网堵塞、进气压力过低、背压过高、进气温度过高、曝气头堵塞、生物池污泥浓度过高、喘振报警装置失灵等都会引起鼓风机喘振。

②鼓风机管网特性。离心式鼓风机的工作点是鼓风机性能曲线与管网特性曲线的交点，管网阻力增大，其特性曲线将变陡，致使工作点向小流量方向移动。

③鼓风机转速变化时，其性能曲线也将随之改变。

3 采取措施

3.1 风机基础检查与处理

风机停运后，对风机、电机基础进行了检查，发现风机整体基础在原始安装过程中出现质量问题，二次灌浆时发现有空洞和裂纹。对二次灌浆空洞和裂纹进行凿除，然后重新二次灌浆，将基础加高150mm进行加固处理，制定了施工方案。

依据GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》，采用CGM高强无收缩灌浆料（灌浆后强度不低于C30）。施工前先处理基础存在的孔洞和裂纹，与设备底板和混凝土基础表面清理干净，不得有松动的碎石、浮浆、浮灰、油污、蜡质等；水泥基灌浆材料接触的混凝土表面充分凿毛[]；灌浆前24h基础混凝土表面应充分湿润，灌浆前1h应清除积水[1]；灌浆过程中严禁振捣，可采用灌浆助推器沿浆体流动方向的底部推动灌浆材料[2]；灌浆厚度大于100mm时，应防止产生温度裂纹。

3.2 风机转子检查与处理

检修人员将风机上盖打开，对9级叶轮进行了逐项检查，叶轮转子（轮毂）与主轴采用普通平键20mm×12mm×120mm过盈配合，主轴与轮毂采用温差法热套，加热温度大约高于环境温度（20℃）99℃，加热时应将轮毂整体加热，保证轮毂中心孔与主轴之间0.12～0.16过盈量。转子组装后进行动平衡试验，动平衡精度G2.5（图3）。

图3 风机叶轮与主轴装配图

拆卸过程中发现第3和4级叶轮转子与轴有间隙，不允许有间隙和松动，经卡尺测量键槽磨损尺寸变大，出现键槽滚键。叶轮高速旋转时，受气流影响，叶轮和轴之间存在间隙，导致叶轮平衡破坏，是引起振动的主要原因。

转子是鼓风机的关键部件，它高速旋转对气体做功，转子在装配过程中要求注意以下几点：

（1）转子装配前技术要求。装配前需对所有叶轮做超速试验，检查叶轮的变形和表面质量情况。一般对于电机驱动的风机叶片超过额定转速10%，叶轮变形可以通过测量径向尺寸的伸张率来衡量。

叶轮伸张率=（超速后实测尺寸-超速前实测尺寸）/超速前实测尺寸×100%，在超速结束后马上测量，此伸张率不得大于0.04%，防止12h后测量，伸张率不大于0.025%。

对该风机9级叶轮进行了超速试验。试验前测轴径为821.5mm，额定转数2979r/min。将叶轮装在试验设备的主轴上，夹紧牢固后用手转动确认灵活，盖好安全防护罩，所有人员远离到安全可靠的地带。启动试验设备，观察转速仪使叶轮在不小于叶轮最高工作转数的110%运转，实测转数为3300r/min，持续时间不得小于2min。停机后拆下叶轮，测量外缘直径为821.755mm。试验数据：

叶轮伸张率=（821.755-821.5）/821.5×%=0.031% ＜0.04%，在规定范围之内。

对叶轮表面缺陷用磁粉（碳钢材质）或着色法（不锈钢叶轮）进行检查，表面无裂纹、无气孔等缺陷。

（2）叶轮和转子上的所有其他零部件都必须紧密装在轴上，在运行过程中不允许有松动。叶轮装配采用比较普遍的红套装法。

（3）转子装配时应进行严格的动平衡。转子装配后，由于材质不均匀、加工和装配误差等因素，使其质量不平衡，产生偏心。

风机转子做动平衡试验时，消除不平衡的方法采用加重法和去重法，该离心式鼓风机动平衡去重采用磨削去重，于叶轮外圈外侧断面去重，去重深 度≦0.4mm。为防止复装时动平衡破坏，平衡后应选对方位，在每个叶轮的轮盘侧、轴套和平衡盘外圈以联轴器端拿红漆作好位置记号，并从主轴左端（联轴器端）的轴套开始，逐次给轴套和叶轮编序号。

（4）风机叶轮键槽修复。半圆头普通平键尺寸为20mm×12mm×120mm，检查时发现键槽孔间隙变大，边缘变形，平键边缘有磨损变圆，导致叶轮发生松动。键槽修复采用堆焊修复技术，选用同种钢的焊接材料进行补焊，经过键槽修复，更换新键，转子重新做动平衡，修复后安装。

4 修复投运后运行效果

2018年11 月经过修复后风机开始投入运行，状态监测小组成员开始对运行振动数据进行采集，数据检测时间为6个月，前期每周一次，数据稳定之后每月一次。通过6个月的数据监测，风机最大振动数据5.2mm/s，符合振动（≤7.1mm/s以下）标准。

5 结束语

污水处理系统多级离心式鼓风机故障问题经过认真分析，利用状态监测和频谱图数据分析手段，逐步发现问题根源，先后采取了基础强度加固，解决叶轮与主轴过紧配合存在间隙等故障问题。经过修复运行后，污水三台离心式鼓风机运行良好，各项参数均符合正常指标，目前已连续运行两年多没有大修，延长了设备周期使用寿命，保证了污水处理装置离心鼓风机的长周期运行。