基于状态监测的旋转喷射泵故障诊断分析与对策

2024-01-08王得胜赵柳鉴洪铭江陈立军

设备管理与维修 2023年23期

王得胜，赵柳鉴，洪铭江，陈立军，张强

（中国石油西南油气田分公司天然气净化总厂，重庆 400021）

0 引言

余热锅炉给水泵是天然气净化厂尾气处理装置中的关键设备，泵的型式为旋转喷射泵，旋转喷射泵亦被称为皮托管泵，简称旋喷泵（下同），属于离心泵的一种。由于旋喷泵和高速泵、往复泵等都属于流量小、扬程高的低比转速泵，主要运用于化工行业，且在近几年得以快速发展[1]。旋喷泵适合小流量、高扬程介质输送，在天然气净化厂中压给水系统广泛使用。旋喷泵采用冲压滞止增压原理，颠覆原有流体高压输送设备的设计思路，通过滞止增压，液体从入口进入转子腔内，在离心力作用下进入接收管，通过接收管将速度能转化为平稳、无脉动的压力能从出口管排出。旋喷泵主要由主轴、泵体、转子、接收管、泵盖、机械密封、进出水体等部分组成。旋喷泵中的接收管通过螺丝固定，是旋喷泵中的关键元件，其结构包括管嘴、直管段和扩散段，其独特设计可提高动能转化率，尽可能降低动能损失，提高泵的工作效率。

中国石油西南油气田分公司天然气净化总厂忠县分厂尾气处理装置余热锅炉给水泵型式为旋喷泵，具有小流量、高扬程、流量—扬程曲线平缓等特点。泵结构如图1 所示，旋喷泵内只有两个基本部件：一个旋转的转子和一个固定的接收管，泵及其钢制基座安装在撬装基础上（图2）。

图2 余热锅炉给水泵安装现场

余热锅炉给水泵、电机参数（2020 年10 月安装投用）：泵型号：RP4007S-3.63/310，流量：3.63 m3/h，出口压力：4.0 MPa，电机型号：YBBP-200L1-2WF1，功率：15.6 kW，转速：3900 r/min。

2 旋喷泵常见故障

旋喷泵相对其他离心泵工作寿命更长，其简单结构也保证了设备出现故障的概率较低，但是在实际使用过程中同样存在动设备常见故障，其中常见的故障表现主要为动设备轴承处测得的振动数值超标。

引发旋喷泵振动过大的主要原因可以从两个方面进行分析，一是工艺运行方面，二是机械本身部件方面。

2.1 工艺运行

（1）旋喷泵属于离心泵的一种，在使用过程中仍然会受到气蚀问题的影响，尤其是在锅炉给水系统中使用，泵受介质变化的影响较大，当锅炉给水中夹带蒸汽量较多时，在泵进口处造成压力不足，低于旋喷泵最小压力值时，会造成旋喷泵的气蚀。

（2）在锅炉给水系统中有凝结水回用时，设备、管线保温产生的凝结水夹带杂质进入给水系统，这些杂质主要包括铁锈，以及可能出现的夹套管破裂随之而来的主管介质（例如硫磺颗粒等），这些杂质颗粒进入旋喷泵，高速旋转的喷射泵会产生明显的磨损，局部配合间隙过大会导致内部构件受力不均，产生动不平衡，导致泵出现振动数值超标。

2.2 机械本身部件

旋喷泵结构简单，但是可能导致泵振动数值超标的部件仍然存在，如轴承、转子、联轴器等，其中，轴承故障最为常见。一是轴承质量差、安装不到位、润滑不良导致的轴承运行状态不佳，进而引发泵的振动超标，更严重的是，因为轴承故障导致的泵振动超标若没有及时发现，轴承损坏后与轴抱死，轴承内圈与主轴发生粘连，将导致主轴报废。二是转子动不平衡导致的振动超标，这种现象在泵安装使用的早期并不常见，在泵运行3～4 年，或者运行环境较差，不足1～2 年，即有可能出现泵转子动不平衡现象。旋喷泵进行解体大修时，一般会进行旋喷泵转子动平衡校验。旋喷泵的转子与普通离心泵转子相比更加复杂，因此，在实际检修过程中，旋喷泵转子动平衡试验也较为复杂。三是泵与电机之间的联轴器对中度差，包括联轴器减振圈或者是膜片式联轴器破损等问题，均会导致泵与电机振动速度超标。

3 频谱分析

频谱分析功能指的是安装在动设备轴承处的振动监测探头在获取振动信息后传至振动监测系统平台，平台将获得的振动压电信号转化为频谱信号，即可对频谱图进行分析，对动设备可能存在的潜在故障进行诊断，及时采取措施消除设备故障。

通过进行转动设备振动监测，继而进行故障诊断，查明转动设备故障的主要方法为演绎推理，通过经验对每类故障的典型特征进行收集分类，形成故障库，用现场出现的设备故障的具体特征与故障库中的典型故障特征进行比较、分析，可以采用排除法进行筛查，根据故障的具体振动部位、性质和频谱特征做出综合判断。

用于振动故障判断的演绎推理方法有正向和反向推理两种形式，在实际使用过程中，两种形式的具体使用是灵活多变的，有时单独使用，有时合并使用。

3.1 反向推理诊断分析

反向推理是根据振动频谱的特征得出导致振动异常的原因，是由目标结果到原因的推理。当转动设备测出的振动频谱特征与典型故障频谱特征符合时，推理过程中只要发现实际频谱特征与典型故障频谱特征是符合的，即可进行判断确诊。比如，知道某特定特有故障会导致电机出现电源频率的2 倍频，那么当在电机上发现电源频率的2 倍频，即可以得出电机存在故障的结论。

反向推理的理论要求不高，比较容易被技术管理人员掌握，在进行简单转动设备故障判断效率较高，应用较多，但是对结构复杂、故障类型较多的转动设备进行故障诊断时，存在着故障频谱叠加的情况，会给分析人员带来较多的干扰，准确性较低。比如，角度不对中、不平衡、松动等故障都会导致转频的1 倍频振动增大，表现出实际故障和典型频谱特征无法一一对应，导致反向推理无法得出较为准确的故障诊断。

3.2 正向推理诊断分析

正向推理需要充分运用排除法，对分析人员的专业性要求较高，对现场出现的设备故障，要明确可能出现的故障，首先缩小故障范围，然后根据人员经验，将现场实际故障频谱与引起故障的全部可能原因进行比对，运用排除法逐个筛查频谱特征，最终诊断结果限定在最后留下来的不能排除的故障原因中。同时，在诊断过程中，最终的诊断结果可能有多个不能排除的原因，这些原因需要现场技术管理人员去进行实地排除。比如，当发现现场某结构形式为柔性支撑的多级离心风机振动较大，且频率成分主要是1 倍频时，通过振动趋势发现振动在一段时间内逐渐升高，且垂直方向比水平方向增大明显，说明振动为定向振动，然后通过相位比较，确认水平、垂直相位差接近反相，可能是基础刚度不足，也有可能是转子不平衡，需要进一步分析排除，现场进行动平衡校验后将诊断结果缩小为基础支撑结构松动，从而得到了较为准确的结论。

正向推理在实际使用过程中也运用了反向推理的思维，两种思维方式的共同运用，可以提高转动设备故障诊断的精准度。

4 余热锅炉给水泵故障案例分析

4.1 问题描述

泵运行过程中，通过手持测振仪测得的泵振动速度值如表1 所示。表1 中，泵和电机驱动端水平振动值均超出标准值（4.5 mm/s），垂直振动数值均优于标准值，与常见的轴承故障导致的轴承处垂直水平振动数值均超标的现象不同。

表1 余热锅炉给水泵泵及电机轴承处振动值 mm/s

4.2 原因分析

振动是影响泵寿命及可靠性的重要因素，泵振动情况是评价其性能的重要指标。近年来，国内外专家对振动机理、振动监测分析系统及信号处理方法进行了大量研究[2]。该泵出现水平方向振动数值超标情况后，对泵和电机联轴器对中情况以及轴承运行情况进行检查，对中偏差为0.03 mm（标准值为≤0.05 mm），轴承运行平稳，无异常摩擦声，排除联轴器对中度差和轴承本身机械故障。在无法使用常规手段进行故障诊断后，采用手持频谱分析仪进行频谱分析，分析结果见表2，其中，1f 表示1 倍频，依此类推。

表2 泵、电机各测点频谱分析结果

从表中数据分析得出：①泵驱动端加速度略高，设备整体呈水平振动高、垂直振动低的特点；②各点水平方向振动均以1 倍频为主要成分。电机两端的水平、垂直方向1 倍频相位差约为90°，泵驱动端水平、垂直方向1 倍频相位差约为90°，非驱动端的水平、垂直方向1 倍频相位差约为0°。

分析原因如下：①从泵和电机仅水平方向振动速度存在超标现象，且1 倍频出现明显的峰值，存在两种可能故障，一是电机地脚支撑面不平，或支撑刚度不足、不均，导致电机与泵水平方向振动较高。二是转子动平衡差，需进行动平衡校验；②转子动平衡检验结果说明：在上述现象出现后，对可能存在的动平衡故障问题进行解决。首先单试电机，电机振动速度正常，排除电机转子动不平衡问题。随即拆除泵转子，进行动平衡试验，最终结果为转子动平衡为G6.3 级，仍符合厂家技术规范要求，排除转子动平衡故障。