低压输送泵异声故障分析

2023-03-07高维刚俞中围凌青飞

设备管理与维修 2023年3期

高维刚，杜鹏，俞中围，凌青飞

（中海浙江宁波液化天然气有限公司，浙江宁波 315800）

0 引言

某液化天然气有限公司LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然气）接收站，一期装置有3 个16 万立方米LNG 储罐，共有低压输送泵7 台，泵为离心式潜液泵[1-2]，由美国JC Carter公司生产。通过钢丝绳、悬臂吊将泵垂直放置于泵井储罐底部，泵井即为泵的排出管线。动力电缆和仪表线通过线夹固定在钢丝绳上。泵体采用多节垂直剖分结构，通过精加工的止口来保证同轴度。电机转子和泵轴均为空心结构，泵轴贯穿于电机转子，并通过花键传递扭矩，泵轴、平衡鼓、滚动轴承通过锁紧螺母与电机转子锁紧在一起。泵轴为空心光轴叶轮采用无键连接，通过带锥度的涨紧套固定于泵轴上。电机转子两端安装2 个JC Carter 公司专用滚动轴承NSK6314 实现定位。泵轴通过多个轴衬套进行径向定位，泵的轴向力通过平衡鼓、空心泵轴（平衡管）来实现平衡[3-4]。泵体电机侧90°方向安装2 个加速度探头。低压输送泵结构见图1，主要性能参数见表1。

图1 低压输送泵结构组成

表1 低压输送泵主要性能参数

1 低压输送泵故障现象

2017 年10 月8 日，低压输送泵位号P-0201E 出现振动大故障，其间该泵累计运行11 573.39 h。解体大修更换磨损的轴承和轴承衬套，轴承衬套在无原厂备件（材料ASTM B584 C93200）的情况下，采用UNS S21800 材料替代，2017 年10 月19 日检修完成进行试车，运转期间运行参数正常并投入使用。2018 年4 月20 日，该泵运行中噪声逐渐增大，为明显连续高频噪声，期间压力、流量等工艺参数和电机各项指标检测均未发生异常，频谱分析振动有上涨趋势，距上一次检修该泵累计运行3000 h，初步判断为轴承故障，决定进行解体检修。

2 泵拆解检测情况

（1）叶轮、叶轮口环完好，未见异常磨损，口环间隙符合技术要求[5-6]。

（2）诱导轮轴衬套磨损，间隙超差，其他轴衬套轻微磨损。

（3）平衡鼓衬套未见异常磨损，泵轴跳动检测数值均在技术要求范围内。

（4）顶部滚动轴承内圈完好转动顺畅，外圈严重磨损，并出现明显沟槽（图2）。

图2 顶部轴承外圈磨损

（5）泵顶部轴承衬套磨损严重，间隙超标，并有明显沟槽（图3）。（6）中部轴承衬套未见异常磨损，配合间隙符合技术要求[7-8]。

图3 顶部轴承衬套磨损

（7）中部轴承内、外圈完好，转动检查发现游隙明显增大并有卡涩现象，轴承外圈端面有明显压痕（图4）。

图4 中部轴承

3 问题及原因分析

根据泵的拆解和上一次检修情况分析，泵的累积运行时间均未达到轴承的使用寿命25 000 h，而出现轴承过早磨损故障，从泵的设计原理和2个轴承磨损的不同部位进行分析。

3.1 低压输送泵结构原理分析

查泵的性能参数，泵的额定流量430 m3/h，最小流量142 m3/h，按额定流量参数设计平衡鼓，泵在额定流量工况时，转子承受最大的向下推力[9]，此时平衡鼓上下形成压力差，转子向上推力大于叶轮受流体向下的推力，转子向上浮动，由于泵轴采用空心结构，顶部与底部泵入口腔体相通，转子上浮轴与顶部挡板间隙逐渐减小，平衡鼓上部至泵入口流通面积减小，回流到泵入口的流体减少，平衡鼓上下压差逐渐变小，平衡力小于叶轮向下推力，泵转子整体向下浮动，泵轴与挡板间隙逐渐增大，平衡鼓上下压差变大，通过空心轴回流到泵入口的流体增加，平衡力大于叶轮向下推力转子向上浮动，再次重复前面的动作达到转子平衡的目的。因此泵的轴向力平衡是通过平衡鼓、空心轴（平衡管）、平衡鼓间隙[10]与挡板间隙来实现，这取决于底部轴承压板间隙和顶部轴挡板间隙值，故顶部轴承外圈与轴承衬套配合采用的是间隙配合，也就是说泵在运行和变工况情况下，泵转子都存在一定的轴向窜动量[11-12]，泵的性能曲线见图5。

图5 泵的性能曲线

3.2 中部轴承磨损游隙增大分析

中部轴承衬套无磨损与轴承配合间隙符合技术要求，轴承内、外圈无磨损、轴承游隙明显增大，通过两个方向上轻转轴承，电机侧方向转动顺畅，泵入口一侧转动明显有卡涩现象，说明泵入口一侧方向上轴承轨道磨损严重，结合中部轴承外圈（泵入口侧）端面明显压痕，可以看出中部轴承在泵入口方向上承受较大的轴向力，由于6314 轴承为深沟球轴承，深沟球轴承虽然能承受一定的轴向力，但过大轴向力导致轴承液膜破坏、快速磨损、游隙增大和产生高频噪声，这与频谱分析结果（轴承故障）相符。

3.3 顶部轴承、轴承衬套磨损分析

顶部轴承游隙正常、转动灵活，轴承外圈、轴承衬套磨损严重并出现明显沟槽，从磨损情况看，轴承外圈和衬套之间产生了金属粘着现象，在相对滑动中粘着处被破坏，有金属从衬套表面被拉拽下来，粘着在轴承外圈表面，也就是说轴承和衬套之间出现了粘着磨损，又称咬合磨损[13]，破坏了轴承与衬套表面粗糙度和配合间隙。

通过以上分析，产生噪声的主要原因为低压输送泵轴承磨损，轴承的过早磨损是由于轴承承受较大的轴向力所致，轴向力增大的主要原因是顶部轴承与衬套间出现了粘着磨损，造成轴承与衬套配合间隙变化，运行中转子上浮受阻，泵轴向力平衡被破坏，中部轴承受过大的轴向载荷导致过早磨损、游隙增大，运行中产生较大的高频噪声。

3.4 产生粘着磨损条件[14]

（1）磨擦副材料性质的影响。脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高，相同金属或冶金相溶性大的材料易发生摩擦副粘着磨损。

（2）材料的组织结构和表面处理。材料硬度高的金属比硬度低的抗粘着能力强。

（3）载荷的影响。粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加。

（4）速度的影响。粘着磨损随滑动速度的增加而增加。

（5）表面温度的影响。表面温度升高润滑膜失效[15]，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。

3.5 粘着磨损原因分析

由于泵的设计结构无法改变，低压输送泵为LNG 潜液泵在-162 ℃温度下运行，材料表面温度升高至硬度下降的情况不易发生，原厂轴承衬套选用ASTM B584 C93200 锡青铜材料[16]满足脆性材料、材料硬度高条件，避免了产生粘着磨损条件，不易发生粘着磨损。而替代的轴承衬套材料UNS S21800 需进行热处理来满足脆性、硬度条件，虽然UNS S21800 材料应用在其他低温泵有较好的业绩，但泵的结构和工作条件存在差异（平衡鼓在轴承附近），启动泵瞬间轴承与轴承衬套冲击载荷急剧增加，再加上运行中泵的工况变化和频繁启停，因此JC CARTER 低压输送泵轴承衬套选用UNS S21800 替代，虽然增强了轴承衬套综合机械性能，但衬套热处理控制不当易产生粘着磨损，影响泵的使用寿命。