口环摩碰引起机泵振动的机理分析

李迎丽，高子惠，李 犇

（中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

机泵的口环又称耐磨环或密封环，主要作用是避免叶轮和蜗壳发生直接接触，有效保护叶轮。口环材料应具有很好的耐磨性能，同时还能在叶轮与泵壳间形成狭窄、曲折的通道，以增加介质的流动阻力，防止出口端介质倒流至入口端，起到很好的密封作用。随着大型机泵对效率的要求不断提高，口环间隙逐渐变小，机泵时常会因工艺、启泵操作不当等原因造成口环摩碰。一旦口环发生严重摩碰将会影响机泵运行稳定性，轻则机泵振动急剧上升，严重时将破坏机泵的轴承、密封，发生恶性事故的概率将大大增加。因此，有必要在机泵发生口环摩碰的早期明确故障原因。

传统的设备运行管理模式通常是计划检修或故障检修，设备出现异常后很难早期判断故障原因。近年来，随着设备状态监测与故障诊断技术趋于完善，在诊断理论、诊断设备性能、诊断技术应用与推广等方面，为设备管理、设备的可靠性与维修性、提高企业的生产水平，减轻维修人员的劳动时间与强度，达到了一个新的水平，避免了设备“过剩维修”或“维修不足”现象。在当前状态监测诊断技术水平下，国内外针对大型、重要设备通常采取振动监测手段（包括在线或离线监测），通过监测设备的振动判断设备的健康状态。例如，及早发现机泵常见的不平衡、不对中、松动、轴承、摩碰等故障，能够使设备维修的时刻恰到好处，既保障设备长周期运行，又降低企业维修成本。本文将从状态监测角度分析机泵发生口环摩碰故障的机理，通过一起典型的机泵口环摩碰案例验证诊断结论的准确性。

1 机泵口环摩碰故障机理

口环摩碰是机泵运行中较常见的一种故障类型，故障发生后转子的振动通常会增大，同时也会带来零部件的损伤甚至引发重大的破坏性事故。此类故障现象与其他故障容易混淆，如流体失稳、轴承故障等，设备技术人员经常出现误判，导致机泵检修易返工。通过几年工作经验积累，这类摩碰故障的主要因素有转子与静止之间的安装间隙太小、轴存在挠曲变形、转子在轴向方向上有较大的蹿动、设备高振动、动静件热膨胀不均等等。口环发生摩碰故障有轻重之分，轻则是口环表面擦伤，由于摩擦力不大，不会影响转子轴系的运动特性，也不会引起很大的振动，设备未停机拆检之前往往不易被发现；重则口环之间发生碰撞摩擦、产生较大摩擦力，有时甚至发生360°整周的摩擦，显然这类摩碰会引起转子较大的振动并严重损失零部件。在实际故障诊断中，两类摩碰的故障特征不同，振动信号分析是常用的诊断方法。

口环发生摩碰时相当于在摩碰点处增加了一个支撑，改变了转子的刚度。口环之间不断发生局部摩擦，刚度在接触与非接触两种情况之间发生变化，其变化的频率就是转子的进动频率，这种周期性的变化使得转子自由振动变得极不稳定。在发生轻摩碰的情况下，由于转子不平衡，转速频率成分幅值较高，倍频成分一般并不太高，但随着转子摩擦接触弧的增加，由于摩擦部位起到了很强的支撑作用，转速频率幅值有所下降，摩碰的故障频率会有所增大。在强摩碰发生后，在频谱图上经常会出现转子的一阶自振频率（摩碰时相当于增加了一个支撑，使得自振频率升高），还会出现转速频率域振动频率之前的和差频率，摩碰故障一阶自振频率一般是0.5 倍频左右，因此在图谱上会出现0.5倍频或1.5 倍频左右的频率。通过对近几年此类故障经验的总结，口环摩碰会造成类似旋转失速的紊流，引起转子固有频率的振动，运转时滑环摩擦，支撑刚度变大，使固有频率变化，因此振动频率随着转速变化，转子动力学不稳定引起泵轴的一阶弯曲模态共振，这类故障会出现明显的一点几倍频。由于每台机泵转子的刚度不一致，这个频率往往不是固定的，但几乎均在1.5 倍频左右。有时候口环间隙过大在降低效率的同时也会出现振动过大，出现同样的振动频率，口环摩碰、间隙过大的振动激励可以通过调整间隙、修改滑环造型或更换新口环来解决。

2 口环摩碰故障诊断实例

某石化联合车间P102I 加氢进料泵为美国福斯公司制造的BB5 多级离心泵，向渣油加氢装置提供原料（图1）。该泵额定流量210 m3/h，扬程2823 m，额定转速4808 r/min。

图1 P102I 加氢进料泵概貌

2021 年11 月11 日，转子因循环氢压缩机干气密封泄漏紧急停工，因工艺操作不当造成P102I 在最小流量附近运行，振动及轴位移异常增大。随后，该泵先后进行6 次试运，振值、轴位移均异常，泵驱动端最大振值分别为水平126 μm、垂直100 μm，轴位移最大+0.62 mm。现场通过检查入口滤网，更换轴承，调节对中等方式，该泵振动问题仍未解决。

（1）通过监测频谱图可知，该泵低负荷运行时负荷端频率成分以工频（80.2 Hz）和流体频率（401 Hz）为主，振值很低、低于报警值；提高负荷后，泵负荷端频率成分出现显著的1.4 倍异步振动频率（111.3 Hz），振值显著升高且该频率成为频谱中的主导频率（图2）。

图2 P102I 泵低、高负荷运行状态谱对比

（2）通过现场了解，该机组以往正常运行时相关工艺参数稳定，本次启机提高负荷后，流体频率（401 Hz）不明显，排除工艺调节原因引起的振值升高。

（3）机组检修后，激光找正仪的对中数据在合格范围，并且在低负荷与高负荷运行期间均未见到明显2 倍频频率成分，排除不对中原因引起的振值升高。

（4）在低负荷状态运行时，工频成分为主且振值低，提高负荷后工频成分不明显，排除转子明显弯曲原因引起的振值升高。

通过本次机组图谱所表现的故障特征，结合以往检修、运行情况以及口环摩碰振动机理模型，综合分析后认为，该泵振动升高的原因为摩碰故障，建议解体、着重检查叶轮口环等部件是否发生过摩碰。

11 月29 日，该泵拆解后发现发现口环、级间套等部件存在明显摩碰，与之前的分析诊断结论一致（图3）。另外，从检修数据也可以发现一部分口环间隙偏大。该泵为10 级高温高压机泵，口环间隙出现问题后机泵流体泄漏量会加大，口环间流体也会失稳，导致机泵振动超标，同时随着机泵流量增大，流体紊流加剧，振动也随之增大，所以口环间隙相对较小的部位会发生摩碰现象。

图3 现场检维修时发现口环摩碰

2022 年1月10 日，机泵检修回装完成、试运合格，现场测试壳体最大振值1.5 mm/s，状态监测系统上显示该泵最高振值24 μm，异步频率（1.4 倍频）消失，该机泵口环摩碰故障最终解决。

3 结论

从状态监测理论角度介绍机泵口环摩碰的故障特征及机理，总结同类型故障经验，同时通过一例机泵口环摩碰故障的分析，详细介绍机泵状态监测及故障诊断的方法，逐项排除机泵可能会发生的故障，最终精准判断机泵具体故障。状态监测及故障诊断技术的应用，不仅能够提高企业设备预知维修能力，避免机泵出现由于高振动导致的泄漏、着火、爆炸事故，同时还能够为企业节省检维修工期、费用。本文对该类故障机理探讨对机泵口环故障的判断有着指导意义，这一诊断方法能够指导设备技术人员及时找到原因，进而保证设备安全、平稳、长周期运行。