大型立式泵振動問題分析及治理

何小鋒，盧修連，劉曉鋒，何利鵬，馬運翔

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇　南京　211102）

0　引言

大型立式泵以其結構緊湊、占地面積小的優點，在火力發電廠中得到廣泛應用，目前火力發電廠的凝結水泵、循環水泵均為立式泵。但立式泵相對臥室泵而言，其高度較高，軸系較長，水平剛度較差，轉子支撐穩定性較差，容易出現振動問題。近幾年，為了響應國家“節能減排”的政策，各廠均逐步對凝結水泵、循環水泵進行調速改造，使之能夠根據機組運行工況調控轉速，有效提高機組經濟效益[1]。目前主要采用增加變頻器的方式進行變頻改造或對電動機進行雙速改造。但隨之帶來的問題是，由于立式泵原為單速設計，對其余轉速工況未做充分考慮，使很多立式泵在調速改造后出現振動問題。很多問題具有普遍性，而對故障的定性、處理手段都缺乏有效認知，經常出現誤判，導致重復性檢修，影響機組的安全運行。本文對大型立式泵的常見振動問題進行闡述及分析，并給出相應檢修處理建議。

1　軸系質量不平衡

立式泵軸系較長，由多段軸連接而成，各軸段均可能產生明顯的質量不平衡。質量不平衡產生的原因主要有：原始質量不平衡、連接偏心、磨損及彎曲變形。

1.1　原始質量不平衡

原始質量不平衡是指泵轉子、電動機轉子、對輪或連接軸因原始質量分布不均勻而產生質量不平衡的現象[2]。主要原因是在出廠時動平衡沒有做好，存在較大的殘余不平衡質量。

原始質量不平衡的判斷比較簡單，頻率成分為穩定的工頻成分，振動不隨時間、工況而改變，僅與轉速有關，共振區域外，振動隨轉速升高而升高。現場檢修中，可通過電動機單轉測試來判斷不平衡質量的位置，以區分不平衡質量是在電動機轉子上還是泵轉子上，或者二者均存在。現場一般在電動機風扇或聯軸器上加重進行動平衡處理。

1.2　連接偏心

連接偏心主要指各部件連接配合出現偏心，導致軸系出現質量不平衡。對于立式泵而言，葉輪與軸的配合、各軸段之間的配合、兩半聯軸器間的連接，因為加工誤差、檢修精度等原因都會導致部件中心出現偏斜，產生質量不平衡。

連接偏心產生的質量不平衡主要出現在檢修之后，在檢修中由于裝配誤差、對中不良等因素，導致部件出現偏心，產生質量不平衡。從頻譜上看，主要為工頻成分，不對中還會產生一些2倍頻成分，如有連接松動的問題則還會存在一些諧波成分。振動主要與轉速有關。現場判斷上主要結合修前修后泵組振動情況以及檢修中所做檢修工作來判斷。振動處理上，在連接偏心不嚴重，連接緊固的情況下，主要通過動平衡手段解決。偏心嚴重或者連接存在松動的情況下，則需進行相應檢修處理。

1.3　磨損及彎曲變形

磨損及彎曲主要指旋轉部件因為磨損或受熱而變形彎曲，導致軸系出現質量不平衡。對于立式泵來說，主要指葉輪不均勻磨損，電動機轉子的受熱變形，膨脹不均，連接軸的彎曲變形等。磨損及彎曲一般發生在機組運行中。由于局部間隙偏小發生碰磨，導致葉輪或軸的不均勻磨損；由于電動機轉子的不均勻受熱，導致電動機轉子的不均勻熱態變形。從頻譜上看，由于彎曲變形后產生軸系質量不平衡，因此主要為工頻成分。磨損及彎曲變形主要出現在運行中，隨時間逐步發展，磨損越嚴重，彎曲越厲害，振動值越大。而電動機受熱變形主要出現在帶載運行中，是由于電氣故障或者冷卻不均勻導致的不均勻變形，單轉電動機時由于發熱量較小，變形量較小，振動一般較小，而帶載后發熱量大，變形量大，振動會明顯變大。振動值大小與電動機帶載大小有關。對于葉輪或軸的磨損彎曲一般通過檢修調整間隙處理。對于電動機轉子的受熱變形，在沒有嚴重電氣故障的情況下，主要通過動平衡手段，降低熱態不平衡質量。

2　支撐動剛度弱

影響振動的因素主要有兩個：激振力和支撐動剛度。支撐動剛度因素主要包含結構剛度、連接剛度、結構共振等。

2.1　結構剛度弱

大型立式泵，軸向高度較高，水平向較窄，整體呈現瘦高型，致使其水平向剛度較弱。同時，在下部泵體支架或者電機支架上一般都有較大的檢修口，檢修口方向的結構剛度會進一步削弱。

立式泵結構剛度弱引起的振動主要體現在水平方向，有檢修開口方向振動通常更大。剛度弱會使結構在較小的激振力下產生較明顯的振動。立式泵的激振力來源主要是轉子不平衡力，因此現場多通過精細動平衡手段來進一步降低轉子激振力，從而減小泵體及電機振動幅值。檢修開口方向剛度嚴重偏弱的，可在開口方向加焊加強筋，增加該方向的結構剛度[3]。

2.2　連接剛度弱

由于軸向支撐面較多，一般在泵體及電動機中間存在一到兩個支架（泵支架和電動機支架），在接觸不良、連接緊力不夠的情況下，會出現因連接剛度較弱而引發的振動問題[4]。

從現場處理經驗來看，各支架結合面、泵座與水泥基礎間的安裝結合面比較容易出現連接剛度弱化的問題。主要原因有接觸面變形、不平整[5]；泵座基礎不均勻沉降、二次灌漿松動[6]；結合面螺栓連接緊力不足。現場可以通過測試結合面處差異振動大小，來判斷是否存在連接剛度弱的問題[7]。振動處理上主要通過檢修手段，消除引起連接剛度弱的因素。在連接剛度較弱時，動平衡手段往往不能達到較好的效果，且重復性較差。

2.3　結構共振

近年來各電廠為節能增效進行的變頻改造，大大地拓寬了立式泵的工作轉速區域，甚至涵蓋了設備的結構共振區，導致泵體在某些運行頻率下出現結構共振，以至于許多泵組的變頻器無法正常投運，對機組的安全性和經濟性均造成了嚴重影響[7]。

結構共振主要由兩個方面引起：一是結構件設計固有頻率未避開運行轉速區間；二是因為連接松動、裂紋等原因導致結構件的固有頻率下降，落入運行轉速區間。從過往統計來看，凝泵在運行轉速區間內均存在一個或多個共振峰值，主要為同步共振及次諧波共振。現場處理中，在排除連接松動及裂紋等故障后，主要通過加固及動平衡手段來進行治理[8]。從目前現場治理經驗來看，大部分結構共振問題能夠通過精細動平衡手段，降低轉子激振力，使軸系振動值降至合格或優秀水平[9]。但仍有部分立式泵，由于其存在檢修口的原因，水平兩個方向共振頻率不一致，而現場平衡位置又非常受限，無法通過動平衡手段來有效降低共振區間振動水平。對此，可以結合模態分析手段，對支撐薄弱部位（主要是上下支架）進行加固，使其固有頻率高于最高運行轉速[10]。或者在運行中設定跳躍頻率點及帶寬，避開變頻改造后在共振區間運行[11]。

還有一部分共振問題比較特別。比如雙速改造后的循泵，改造后高速振動較大，而低速振動較小，主要為2倍頻或者3倍頻成分，一般水平向一個方向較大，另一個方向較小。高低速之間僅差10～99r／min，而振動值卻可以相差100～200 μm，電機單轉時振動也較大。由于主要發生在雙速改造后，且從現場測試來看，轉速偏差幾轉振動便會降至較好，所有經常會誤診，認為是電氣改造的影響，為電氣故障所引起。從現場試驗驗證來看，這屬于典型的結構共振問題，只是其共振區間較窄。對此類問題的處理，一是在頂部進行加固，改變固有頻率，增加結構剛度；二是適度改變高速運行轉速，一般只需轉速變化10 r／min左右，振動值便能大幅度下降。現場還有些因流體原因引起的共振問題，除殼體加固改變固有頻率外，還應從激振力著手，消除流體因素產生的激振力。

3　軸系支撐不穩定

立式泵由于軸系較長，整個軸系重量全靠電動機上部的推力軸承或者推力瓦承受，部分立式泵在泵基座處設有單獨推力軸承。這種結構軸系穩定性較差，對檢修安裝質量要求較高。安裝質量不到位很容易導致檢修后軸系運行不穩定，產生振動問題。

從結構上，要保證立式泵運行平穩，必須保證如下幾點：一是各級臺板、支架及電動機定子的水平度和垂直度在標準范圍，一般要在0.5 mm／m以內[2]，如果水平度不能保證，則轉子運行中必定出現偏斜，導致不穩定；二是要保證推力頭的加工精度高、與軸的配合間隙在標準范圍、絕緣墊及下部彈簧碟片無磨損，從而保證轉子懸掛后保持垂直無偏斜狀態[12]。雖然彈簧碟片存在一定的自動水平調整能力，但如果因為磨損或安裝配合問題，出現較明顯水平度不達標，同樣會導致明顯的運行不平穩；三是要保證轉子的同心度，要確保轉子與靜子的同心度，不能為了調整空氣間隙偏差而犧牲轉子的機械同心度。從現場試驗來看，轉子中心偏移100～200 μm，即使同心度在標準范圍內，仍會導致轉子運行不穩定，出現明顯的振動問題；四是要保證軸系各導軸承的配合間隙及導軸承的同心度，要確保各導軸承在同一垂線上對軸系進行有效限位。

從分析處理角度上，軸系運行不穩定除導致1倍頻振動明顯增大外，還會產生明顯的高次諧波振動，對于轉速相對較高的凝泵，還會在部分轉速區間激發出其殼體的固有頻率，引起共振。在振動較大時，帶泵運行還會引起流體紊流，產生明顯的低頻振動。一般電動機單轉時就會出現明顯振動異常，連上泵轉子后振動進一步惡化。現場較難通過動平衡手段使泵振動值降至較好水平，且動平衡過程會存在反復。軸系支撐不穩定在運行中會逐步惡化，各導軸承磨損加劇，間隙變大，軸系偏轉越來越厲害，導致檢修間隔周期明顯縮短。

因此，在現場檢修中主要需注意如下幾點：一是檢查基礎是否沉降、二次灌漿是否松動、臺板與基礎接觸是否平整；二是檢查泵支架、電機支架、電機定子是否水平；三是檢查推力瓦是否水平，推力瓦及推力頭安裝是否到位，有沒有偏斜的情況；四是檢查轉子同心度是否超標，各級導瓦是否在一條垂線上，導瓦間隙是否超標。上述各項檢查將決定軸系是否能在一個與定子同心、垂直的狀態下平穩運行。

4　流體因素

流體因素也是引起立式泵振動的一個重要原因，主要是由于設計問題、運行水位變化、安裝等因素引起。實際運行工況偏離設計最優工況、水位變化過大、流道設計更改不合理、轉子偏斜磨損間隙不均勻等，均會導致流體紊流，流動不均勻，水中帶汽等情況出現，使軸系產生明顯振動。

對于大型立式泵來說，流體因素產生的振動主要以葉片通過頻率為主，其倍頻數與葉片數吻合，同時會存在一定的低頻成分或者較高頻成分。當葉片通過頻率與某個方向固有頻率吻合時，還會產生共振現象，導致該方向出現明顯的振動。運行一段時間后，大的振動會導致各導軸承磨損，限位不良，軸系不穩定，出現較明顯的高次諧波成分，同時水流紊流還會出現明顯的低頻成分。

一般新建機組可能會出現設計問題，如設計裕量不夠，未充分考慮水位變化，進出水管路及流道設計不合理[13]，進水管堵塞[9]，葉片強度設計不合理等，導致運行中因流體原因而產生振動。而已經投產的立式泵，一般與設計無關，多與后期運行工況變化、磨損、改造、安裝因素有關。如水位下降較多，偏離設計工況；導軸承磨損，軸向偏斜、葉輪磨損，導致流道不均勻；進出水管改道，影響進出水流的均勻穩定；某級葉輪周向安裝不一致，安裝限位不良，安裝松動等，這些均可能導致流體流動不穩定不均勻，水中帶汽，從而產生明顯的紊流或氣蝕現象。

對于流體因素引發的振動，檢修中會發現各級導軸承已出現明顯磨損，更換磨損的導軸承后振動會得到一定程度的抑制，但導致流體紊流的根本原因并未消除，運行一段時間后，各導軸承又會出現快速磨損，振動加速變大。因此，應從根本上消除產生流體紊流的因素，才能有效治理此類振動故障。

5　結語

從大型立式泵的結構特性著手，結合變頻改造的影響，對大型立式泵產生振動的原因進行歸納分析，并從現場分析及處理角度提供相應的建議。為該類型水泵的檢修、維護及振動分析處理提供參考。

[1]蔣勇，王軍，程秀芝.火電廠循泵電機雙速改造及效果[J].電力科學與工程，2010，26（3）：63-65.

[2]張永明.650 MW超臨界機組大型循環水泵振動原因及處理[J].江蘇電機工程，2006，25（2）：17-18.

[3]陳伯權，劉明軍，吳志強.600 MW 機組凝泵變頻運行振動分析及治理[J].浙江電力，2013（1）：56-58.

[4]何小鋒.大容量機組軸流風機振動問題分析[J].熱力發電，2017，46（1）：129-132.

[5]張黎明，戶傳斌，秦曉東.立式凝結水泵電機振動解決[C]∥全國火電100－200 MW級機組技術協作會年會論文集.北京，2009：42-44.

[6]韓立爭.立式循環水泵振動問題的分析與治理[J].化工設計，2015，25（2）：45-47.

[7]何國安，龔偉，李志強，等.立式泵組結構共振分析及治理[J].熱力發電，2015，44（11）：94-97.

[8]段學友，張秉權，周菁.大型立式變頻凝泵某轉速下振動大原因分析處理[J].電站系統工程，2012，28（5）：51-52，54.

[9]侯鋼劍，吳小川，劉少恒，等.火力發電廠凝泵節能改造及振動問題治理[J].應用能源技術，2011（2）：28-32.

[10]陳伯權，劉明軍，吳志強.600 MW 機組凝泵變頻運行振動分析及治理[J].浙江電力，2013（1）：56-58.

[11]熊麗萍，王福忠.凝泵變頻改造淺析[J].機電工程技術，2013，42（10）：29-33.

[12]陶澤宇.俄供AB1700L-24M型立式電動機檢修調整困難的解決方法[C]∥全國火電大機組（600 MW 級）競賽第9屆年會論文集.北京，2005：293-297.

[13]鄭文濤.立式循環水泵振動與異響原因分析及解決措施[J].廣東科技，2009（4）：136-137.