冷凝液泵开启出口阀振动高故障分析与处理

罗伟雄，石宽宽，冯 宝，刘长鑫

(1. 海洋石油富岛有限公司，海南 东方 572600；2.中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154100)

0 引 言

中海石油华鹤煤化有限公司(简称华鹤煤化)300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素装置于2015年底建成投产，汽轮机驱动的大机组主要有合成氨装置合成气压缩机、氨压缩机及尿素装置CO2压缩机，其中，合成气压缩机为日本三菱重工制造，合成气压缩机组汽轮机为抽汽冷凝式，进入汽轮机的高温高压蒸汽做功后被表冷器冷凝成约51 ℃的冷凝液，经冷凝液泵A/B输送至公用工程系统的混床处理后重新利用。实际生产中，冷凝液泵B启动后，当其出口阀开启到一定开度后，泵体出现振动迅速增大的现象，故冷凝液泵B一直处于备用状态，检修人员曾反复进行过各种检查及处理，均未能消除故障；后经技术人员不懈努力，分析冷凝液泵B的频谱图，结合其故障现象及与冷凝液泵A进行对比，找到了其异常振动的原因，并彻底消除了故障，使冷凝液泵B能够正常投运。以下对有关情况作一介绍。

1 设备概况

华鹤煤化合成气压缩机组汽轮机系统配套冷凝液泵由大连苏尔寿泵及压缩机有限公司制造，共有2台，正常情况下一开一备，为常见的单级单吸悬臂式离心泵，型号为ZF40-2315，扬程113 m、汽蚀余量2.19 m，流量25.3 m3/h，转速2 969 r/min，配套电机功率35 kW。冷凝液泵输送介质为表冷器后的冷凝液，冷凝液泵壳体和泵盖均为碳素铸钢材质，叶轮和轴为马氏体不锈钢材质，驱动侧为2个背靠背安装的角接触球轴承，叶轮侧为圆柱滚子轴承，可轴向热膨胀；轴承箱驱动侧安装有1台冷却风扇对轴承箱进行冷却，轴承箱两侧油封采用铜质迷宫密封，轴端密封为普通型机械密封。

2 故障现象

冷凝液泵A(简称A泵)运行过程中机械振动、温度及噪音正常，工艺参数如流量、压力也符合要求，一直以来均无异常现象。冷凝液泵B(简称B泵)则出现振动异常故障，工艺操作人员按程序启动B泵，不开启出口阀状态下，泵体的垂直和水平振动速度均不超过1.6 mm/s，但按操作规程继续缓慢打开出口阀后，泵体随即开始出现振动增大，出口阀开至一半时，泵体驱动侧水平振动速度已达9 mm/s以上(以下振动数据表述均为驱动侧水平振值)，B泵输送的流量及压力均符合工艺要求，电机振动状况及运行参数均正常。据了解，几年来B泵已经过多次检修处理，均未能消除振动异常故障，其振动烈度为《机械设备振动分级标准》第二类(中型机器15～75 kW)D级不合格状态[振动烈度分级：A级(良好)，振动速度0～1.12 mm/s；B级(允许)，振动速度1.12～2.80 mm/s；C级(较差)，振动速度2.80～7.10 mm/s；D级(不合格)，振动速度7.1～71.0 mm/s][1]，由于不满足设备运行要求，B泵一直作为紧急备用设备，正常生产情况下均是A泵运行，由此A泵只能在合成氨装置计划停车时才能同期安排计划检修，这种不正常状况已持续了几年，无疑给合成氨装置的安全运行带来严重威胁。

3 原因分析

泵体振动大是悬臂式离心泵最常见的故障之一，泵体振动大有各种各样的原因，常见的原因有轴系对中找正超差、电机座不平或电机支脚不平、叶轮不平衡、轴弯曲、轴承损坏等。华鹤煤化检修人员曾尝试过各种处理办法，包括检查轴弯曲度、检查泵进/出口管道及冷却器是否堵塞、基础重做及进/出口管道重新配管以消除管道应力等，均未能有效解决B泵振动大故障。

在经过更换配件等各种处理未能有效解决故障后，技术人员使用新到的频谱分析仪采集B泵振动数据进行分析，并重新梳理故障现象。总结与梳理出B泵故障现象四个方面的重要信息：① 工况相同的A泵自运行以来未曾发生过振动异常故障；② B泵在未开启出口阀时振动正常，振动速度很小，只有1.2 mm/s；③ B泵启动后出口阀开启1/5开度时即开始出现异常振动，出口阀开至一半时振动速度达9 mm/s以上；④ 频谱分析仪采集的频谱显示，大约150 Hz、3X(3倍频)处振动有明显响应且占绝对主导地位，其他倍频很小。

综合上述信息进行深入分析：① 工况相同的A泵从未发生过振动异常故障，表明工艺设计、操作程序及工艺参数等方面不是造成B泵振动大的原因，如入口压力、入口流量、介质温度，包括为排除液体阻力过大致汽蚀的可能性等曾拆卸过B泵入口过滤网，由此可排除工艺方面造成B泵振动大的可能；② B泵在未开启出口阀时振动是正常的，振动速度很小，只有1.2 mm/s，表明B泵不存在轴弯曲等机械方面的问题，包括叶轮不平衡、轴承损坏、零件松动及对中不良等，这是因为机械损坏及缺陷是永久性的，只要泵启动起来，振动故障就会表现出来，甚至是日益恶化的；③ B泵开启出口阀1/5开度时即开始出现异常振动现象，出口阀开至一半时振动速度达9 mm/s以上，对于这个现象的分析是重要的也是较难的，但也有蛛丝马迹可寻，开启出口阀意谓着打开流体通道，B泵开始输送介质，介质流动过程中产生了振动大现象，而关闭或关小出口阀振动马上变小，为此也曾对B泵进/出口管道的堵塞情况、泵出口止逆阀与进/出口阀是否损坏及卡涩进行过检查，均正常，故可排除这些缺陷因素干扰了液体的流动而致B泵振动大的可能；④ 频谱分析仪采集的频谱显示，在大约150 Hz、3X处振动分量响应明显且占绝对主导地位，其他倍频很小，将B泵振动频谱图与机械故障四种典型频谱图[1]进行对比，振动频谱图中3X很明显，与机械故障典型图谱的四种情况--不平衡频谱图(1X主导)、不对中频谱图(2X主导的同时明显伴随1X和3X)、轴弯曲频谱图(1X主导的同时明显伴随2X)、零件松动频谱图(2X主导的同时明显有1X、3X和0.5X伴随)有明显不同，由此叶轮不平衡、对中不良、轴弯曲及零件松动引起振动大的可能可以排除。

进一步分析与探讨，B泵启动后开启出口阀出现振动异常增大现象，频谱分析仪采集到的故障响应频率约150 Hz，B泵工频为2969/60=49.48 Hz；冷凝液泵叶轮为3叶片结构形式，叶轮通过频率为叶片数×工频，即B泵叶轮通过频率为3×49.48=148.45 Hz，而150 Hz为B泵振动的3X，3X处的振动速度达2.2 mm/s，约为总振动速度4.421 9 mm/s的1/2。由此可以确定，B泵异常振动与叶轮有关，降低叶轮通过频率即3X的振值，即能消除B泵振动大故障。

叶轮通过频率振动是流体机械流道内产生压力脉动所诱发的高频振动，其频率是整圈叶片数与转速频率的乘积，即每个叶片通过流道突变或不连续处就产生一次压力脉动，如果流道有多个突变或不连续处，则可能产生叶片通过频率的多倍频振动。对于普通离心泵来说，蜗壳上的蜗舌就是一个流道的突变，叶轮上的叶片每经过蜗舌就产生一次振动，B泵叶轮上有3个叶片，每转一圈就会产生3次振动即3X，3X振动与叶轮上的叶片与蜗舌间隙大小有关。通过这些分析，技术人员认为B泵可能存在叶轮直径过大而致叶片与蜗舌间隙过小，一旦B泵开启并打开出口阀，液体流动过程中就出现3X振值增大的异常现象。于是，提议在合成氨装置停车大修时同时解体检查A泵与B泵，比较2台冷凝液泵叶轮直径的大小。

4 故障处理

据以上分析结论，2022年7月华鹤煤化合成氨装置计划停车大修期间，2台冷凝液泵同时进行解体检查，发现A泵与B泵的叶轮直径确实存在不同--A泵叶轮直径308 mm，B泵叶轮直径315 mm(比A泵大7 mm)，2台泵蜗壳基圆约φ325 mm；A泵叶片与蜗舌间隙8.5 mm，B泵叶片与蜗舌间隙为5.0 mm，两者相差3.5 mm。这就是A泵运行时振动正常、而B泵运行只要开启出口阀振动就异常增大的原因了。

B泵重新安装加工直径为308 mm的叶轮后，启动B泵并打开出口阀，经测量，其振动速度降至约3.9 mm/s(原最大值超过9 mm/s)，但仍未达到《机械设备振动分级标准》第二类(中型机器15～75 kW)中的B级允许范围内(振动速度1.12～2.80 mm/s)。为将B泵振值降至良好范围，特别是当前已找到了故障处理方向，决定继续进行处理，以彻底消除故障。B泵当前出口压力0.75～0.80 MPa，刚好满足工艺要求，不能通过进一步减小叶轮直径的方法来增大叶片与蜗舌间的间隙了，当前B泵叶片与蜗舌间隙为8.5 mm，经查《石油、石化及天然气工业用离心泵(API610-2010)》(第11版)中的规定[2]，对于蜗壳式泵，叶片与蜗舌间隙至少为叶轮半径的6%，即最小值应为308÷2×6%=9.24 mm，而经测量蜗舌厚度为4.1 mm，于是，决定采用砂轮机打磨的方式适当减小B泵蜗舌厚度约1 mm，将B泵叶片与蜗舌间的间隙调整为9.5 mm左右；同时，对照检修A泵时的照片，发现A泵蜗舌有缺损及边沿减薄的情况，但并未影响A泵的正常运行，表明叶片与蜗舌间隙适度增大有利于冷凝液泵的良好运行，这也是A泵振动较小的原因。B泵蜗舌经适度打磨检修后，经试车及长时间运行检验，其振值有了较大降幅，即使全开出口阀其振动速度也只有2.0 mm/s左右，满足设备管理要求，B泵可投入正常运行。

5 结束语

华鹤煤化合成气压缩机组汽轮机系统配套冷凝液外送泵(B泵)打开出口阀即发生异常振动故障，检修人员采取各种检修处理措施均未能解决该问题，B泵只能用作紧急备用设备，危及系统安全运行。后经技术人员的不懈努力，采用频谱分析仪采集B泵的振动频谱图，通过对其振动频谱图的分析与研究，有了新的认识和解决问题的方向，并通过与A泵进行对比，最终确定B泵故障原因为叶轮直径过大以及叶片与蜗舌间隙过小。利用系统大修机会调整B泵叶轮直径及叶片与蜗舌间隙后，成功解决了长期以来的技术难题，保障了合成氨装置的安全稳定运行。