汽轮机主油泵异响与出口管道振动原因分析

石宽宽

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）

1 设备简介

年产80 万吨甲醇装置转化炉鼓风机汽轮机J501（以下简称汽轮机）由杭州汽轮机股份有限公司制造，型号为NG25/20/0。其主油泵安装在汽轮机进汽侧轴头位置，为SN 系列三螺杆泵，型号为SNGF440R40Q（图1），使用长城牌ISOVG46 润滑油。汽轮机与主油泵通过减速箱连接，减速箱输入齿轮、输出齿轮齿数分别为28 和88 齿。

图1 主油泵三维剖视图

汽轮机油箱位于汽轮机进汽侧南侧下方，主油泵入口比油箱内润滑油液位高2 m。在油箱内部，主油泵入口管道安装有止逆阀和喷射器，从主油泵出口管线引出一公称直径为1″（2.54 cm）的回流管进入主油泵入口喷射器内。作为喷射器的高速流体，该回流管上有一个调节阀，用来控制喷射器高速流体的流量。主油泵出口压力通过主油泵出口管与油箱之间的自力式调节阀进行调节，调压后的润滑油经过油冷器和油滤器后分为两路，一路作为控制油进入汽轮机控制系统，另一路作为润滑油进入各润滑点。控制油管路上安装有一个缓冲罐。

2 故障现象

2018 年初，该汽轮机主油泵在运行过程中出现异响同时出口管道强烈振动，该现象一直持续到2019 年4 月装置停车检修。在大修停车检修期间，对汽轮机进行调试，当汽轮机转速上升至8350 r/min时，主油泵出现明显异响，出口管道也产生强烈振动。在上述过程中，控制油压力保持在0.85 MPa、未出现明显波动，控制系统运行正常，润滑油压力0.25 MPa 且未出现明显波动，各润滑点温度正常，油系统回油正常。

3 主油泵入口管道介质流速

根据设备资料和现场设备安装情况，查得主油泵入口管道为4″（10.16 cm）不锈钢无缝钢管，公称直径d 为100 mm，直管长度Li为7 m，入口管道插入油箱中（当量长度Le=3 m）。入口管道有4 个90°大圆角弯头，其当量长度Le=4×2 m，主油泵入口处有一个直角弯头，其当量长度Le=7 m。管道已使用10 年，管道内表面粗糙度取ε=0.3 mm，油箱内部压力为微正压。

3.1 设计工况

查主油泵设备资料可知，当主油泵转速n0为2900 r/min，润滑油温度为40 ℃，介质为ISOVG46 润滑油，主油泵的流量Q0为680 L/min 时（设计工况），主油泵入口管道内介质流速为v0：

3.2 正常工况

汽轮机的工作转速N1为8700 r/min，则在正常工况下主油泵的工作转速。螺杆泵实际流量Q=ηnAT[1]。其中，η、n、A 和T 分别为螺杆泵的容积效率、转速、有效截面积和导程。A、T 为螺杆泵设计参数，固定不变，η 在一定转速范围内基本不变，所以螺杆泵的实际流量Q 只与转速n相关。因此，正常工况下主油泵入口管内润滑油流速v0=1.21 m/s。

3.3 极限工况

极限工况是指在主油泵出口回流管调节阀全关的情况下，主油泵入口管内润滑油依靠主油泵自吸能力达到最大流速时的工况。在极限工况下，主油泵依靠油箱内部与主油泵入口处的压差，将润滑油吸入主油泵内，油箱内部压力P0为微正压（P0=0.101×106Pa）。因润滑油成分复杂、分子量大，此处假设润滑油在真空状态下不发生气化，因此当主油泵入口处达到真空状态时，油箱内部与主油泵入口处压差达到最大值ΔPmax=0.10×106Pa，此时主油泵入口管内润滑油流速也达到最大值v2。

根据连续性方程，在油箱内部润滑油表面到主油泵入口处，可得：

其中，g 表示重力加速度，Σhf表示主油泵入口管内润滑油阻力损失，λ 表示摩擦因数。

合并式（1）、式（2），则润滑油流速最大值v2：

λ 与雷诺数Re2、入口管道的相对粗糙度相关，可表示为：

通过摩擦因数λ 与雷诺准数及相对粗糙度的关系[1]查得（图2）：

图2 摩擦因数λ 与雷诺数及相对粗糙度的关系

联立式（3）、式（4）、式（5），使用试差法对方程组进行求解。首先，设Re2=Re1→由式（5）求v2→由式（3）求λ→查图λ=f（Re2，）得Re2′→比较Re2′与Re2，若Re2′与Re2不相等则以Re2′代替Re2重复上述步骤，直到合适为止。通过试差法，得λ=0.067、Re2=2670、v2=1.09 m/s。

即在极限工况下，主油泵入口管内润滑油流速最大值为1.09 m/s，此时主油泵转速，汽轮机转速

4 原因分析

通过上述计算得知，正常工况下汽轮机转速为8700 r/min，主油泵转速为2768 r/min，主油泵入口管内润滑油流速为1.21 m/s；但在主油泵出口回流管调节阀全关的状态下，忽略润滑油在负压条件下可能发生的气化现象，只依靠主油泵自吸能力，入口管内润滑油所能达到的最大流速也仅为1.09 m/s，低于正常工况下主油泵入口管道内润滑油所需流速；当汽轮机转速提高，超过极限工况转速7822 r/min 时，主油泵转速也随之提高，使主油泵所需流量增大，但此时仅依靠主油泵自吸能力，主油泵入口管内润滑油流速已经无法继续增大，因此出现主油泵所需流量大于实际供给流量的情况，螺杆内部无法完全被润滑油充满、主油泵内部出现空腔，随着主油泵螺杆的转动当空腔到达主油泵出口时，出口处的润滑油以极高的速度流向空腔位置、产生冲击，使出口管道产生剧烈的振动和异响。

结合上述分析，主油泵2018 年运行中出现异响和在2019年调试中出现异响的原因，均是主油泵入口管道内润滑油流速未达到所需要求、造成主油泵内部出现空腔。具体分析如下：

（1）在2018 年装置运行过程中，因装置负荷增加，转化炉鼓风机汽轮机转速由8200 r/min 升高至8700 r/min，主油泵入口管道内润滑油流速无法满足转速提升后的主油泵的需求，使主油泵出口管道也产生剧烈振动和异响。在此期间整个汽轮机控制油压力与润滑油压力未发生波动，主要是因为主油泵出口管道上的自力式调节阀和缓冲罐起到了很好的稳压作用。

（2）在2019 年4 月转化炉鼓风机调试过程中，当汽轮机转速上升至8350 r/min 时，主油泵出口管道产生强烈振动和异响，此时汽轮机的转速高于极限工况下汽轮机的转速，说明主油泵出口回流管调节阀有一定的开度，使入口管道内润滑油流速有所提高，但依然无法达到主油泵所需流速。当开大出口回流调节阀开度时，主油泵的异响逐渐消失，出口管道振动也随之消除。继续提高汽轮机转速至正常工况转速8700 r/min 时，主油泵也未出现异响，这说明开大主油泵回流管调节阀，增大入口管道喷射器高速介质流量，有效提高了入口管道内润滑油的流速，使其达到了主油泵所需的流速。

5 结束语

转化炉鼓风机驱动汽轮机是年产80万吨甲醇装置的关键动设备，其主油泵在装置运行过程中出现出口管道异响和振动，给整个装置的安全稳定运行带来巨大隐患，在油泵出口管道强烈振动下极易发生管道疲劳断裂，造成整个装置停车。因此，必须准确分析出故障产生的原因，对故障准确判断，掌握现场设备重要调节点的作用，并以此为依据制定合理、可行的处理措施，才能从根本上解决问题、避免同类故障的发生。