水泵機(jī)組的振動分析及故障診斷

馬毅 楊帥

摘 要：作為火力發(fā)電廠的重要輔助設(shè)備之一，鍋爐給水泵能否安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)直接影響著電廠的經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐給水泵經(jīng)常發(fā)生振動故障，威脅著給水泵的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，本文著重分析了鍋爐給水泵振動的原因，并就如何防治振動故障給出切實(shí)可行的應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：水泵機(jī)組；振動；故障診斷

一、水泵情況

某電廠9、10號機(jī)組為2臺東汽300MW供熱凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)配備2臺50%B—MCR汽動給水泵組運(yùn)行，1臺50%B—MCR電動給水泵備用。汽動給水泵型號300QTSB 1I—JA，結(jié)構(gòu)形式為臥式、離心、多級節(jié)段、雙殼體全抽芯結(jié)構(gòu)，進(jìn)出、口及抽頭接El均垂直向下布置，電動給水泵型號300TSBlI—JB，其結(jié)構(gòu)形式與汽動給水泵基本相同，區(qū)別在于進(jìn)出口及抽頭接口均垂直向上布置，廠家設(shè)計(jì)2種泵型芯包完全一致，可以互換。該型鍋爐給水泵芯包共5級葉輪，并采用誘導(dǎo)輪技術(shù)，誘導(dǎo)輪安裝在首級葉輪之前，提高首級葉輪入口壓力，降低泵的必須汽蝕余量，給水泵前可不設(shè)前置泵。該電廠給水系統(tǒng)現(xiàn)場布置為汽動給水泵有前置泵，電動給水泵無前置泵。

該廠9、10號機(jī)組分別于2010年1月、5月投產(chǎn)，在168 h試運(yùn)及投產(chǎn)初期，6臺給水泵發(fā)生多起振動超標(biāo)被迫停泵故障。

二、振動原因分析

現(xiàn)場每1臺給水泵出現(xiàn)振動異常后，都會根據(jù)鍋爐給水泵振動常見原因進(jìn)行排查，首先檢查排除引起給水泵振動的外部因素，最終確定給水泵內(nèi)部存在缺陷。給水泵芯包返廠后，解體檢查軸瓦無異常磨損，轉(zhuǎn)子與殼體動靜部件無碰摩痕跡，多數(shù)存在誘導(dǎo)輪斷裂缺陷。通過對上述多臺次給水泵振動情況對比及芯包返廠解體檢修情況綜合分析，導(dǎo)致該電廠給水泵頻繁發(fā)生振動超標(biāo)的主要原因如下。

（1）某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動增大原因?yàn)樗ふ瘛?號機(jī)電動給水泵是第1臺投運(yùn)的給水泵，與其余5臺給水泵同一批次，因此將10號機(jī)尚未安裝的電動給水泵返廠檢查，經(jīng)廠家設(shè)計(jì)部門試驗(yàn)分析在4000r/min以上某一轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的振動超標(biāo)原因，并非轉(zhuǎn)子剛性不足導(dǎo)致存在臨界轉(zhuǎn)速，而是由于水流經(jīng)過葉輪流道后進(jìn)入中段內(nèi)的導(dǎo)葉產(chǎn)生水力沖擊，當(dāng)水力沖擊的激振頻率與轉(zhuǎn)子或泵殼的固有頻率接近時，便會產(chǎn)生共振。通過對泵內(nèi)各級導(dǎo)葉流道進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)流體從葉輪流出后在導(dǎo)葉內(nèi)流動時，在圓周方向上并不均勻，在大流量、高壓力的工況下，水力流動不均衡必然產(chǎn)生較強(qiáng)的水力激振，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速達(dá)到某一范圍時，水力激振引發(fā)共振，導(dǎo)致泵振動增大。

（2）振動突增原因?yàn)檎T導(dǎo)輪葉片斷裂導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。誘導(dǎo)輪為軸流式葉輪，即使在發(fā)生汽蝕時，性能也不會突然下降，而且誘導(dǎo)輪本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有更好的抗汽蝕性能。但在該電廠的實(shí)際使用中，給水泵誘導(dǎo)輪葉片斷裂幾乎是該型給水泵的共性缺陷，通過對誘導(dǎo)輪的工況條件和葉片斷裂形貌特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)葉片厚度、入口型線與水力特性不能完全匹配，導(dǎo)致誘導(dǎo)輪進(jìn)口處易發(fā)生汽蝕，因汽蝕而產(chǎn)生的復(fù)雜非定常流動引發(fā)壓力脈動，與誘導(dǎo)輪葉片的固有頻率接近或成一定的比例關(guān)系時產(chǎn)生共振，最終葉片疲勞斷裂。誘導(dǎo)輪葉片斷裂位置均處于進(jìn)口邊緣較薄部位。

（3）轉(zhuǎn)子動平衡不合格。2010年6月17日，10號機(jī)1號汽動給水泵返修后初次投運(yùn)便出現(xiàn)振動超標(biāo)，且振動值隨著轉(zhuǎn)速升高而增大，堅(jiān)持運(yùn)行一個月后將芯包返廠解體檢查，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)該泵轉(zhuǎn)子第4級、第6級葉輪晃度超標(biāo)（第4級葉輪晃度0.14mm、第6級0.18mm，標(biāo)準(zhǔn)≤0.05mm），轉(zhuǎn)子殘余不平衡量達(dá)1050g？mm，大于該轉(zhuǎn)子許用不平衡量799g？mm，振動超標(biāo)原因?yàn)檗D(zhuǎn)子動平衡不合格。

三、處理措施及效果

根據(jù)上述不同振動原因，制定針對性的處理措施，并利用機(jī)組臨停和檢修機(jī)會對每臺給水泵芯包進(jìn)行檢修和改進(jìn)。

（1）改善流體在導(dǎo)葉中的水力特性。針對給水泵在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的軸承振動增大問題，經(jīng)廠家設(shè)計(jì)部門分析確定對泵的設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，將部分導(dǎo)葉在圓周方向旋轉(zhuǎn)一定角度，即：二級中段、六級中段上的導(dǎo)葉固定銷孔在原位置逆時針旋轉(zhuǎn)15°，三級中段、五級中段上的導(dǎo)葉固定銷孔在原位置順時針旋轉(zhuǎn)15°，經(jīng)更改后各導(dǎo)葉流道位置依次錯開60°，保證流體在導(dǎo)葉中流動的均勻性，有效改善導(dǎo)葉內(nèi)的異常水力激振，對每臺給水泵芯包返廠時均按照更改設(shè)計(jì)實(shí)施，振動消除。

（2）改進(jìn)誘導(dǎo)輪。原誘導(dǎo)輪重新設(shè)計(jì)改進(jìn)為加強(qiáng)型誘導(dǎo)輪，優(yōu)化誘導(dǎo)輪入口型線，加大進(jìn)口邊后掠角，由90°增加到120°，使葉片進(jìn)口后掠部位延長，高度降低，改變誘導(dǎo)輪入口的液體流動，提高汽蝕性能，改善給水泵首級葉輪入口條件；對誘導(dǎo)輪葉片整體加厚，改善鑄造工藝和熱處理工藝，加大葉片與輪轂結(jié)合處的圓角，減小應(yīng)力集中，提高誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，經(jīng)無損探傷合格的誘導(dǎo)輪方可使用。先后對2臺電動給水泵更換加強(qiáng)型誘導(dǎo)輪，使用效果良好。對4臺汽動給水泵，去除誘導(dǎo)輪，用相應(yīng)的軸套代替。廠家初期設(shè)計(jì)汽動給水泵安裝誘導(dǎo)輪，目的是使得300MW機(jī)組電動給水泵和汽動給水泵芯包完全相同，以保證2種泵芯包的互換性。由于電動給水泵沒有前置泵，在該泵的設(shè)計(jì)中為降低泵的必須汽蝕余量NPSHr，保證不發(fā)生汽蝕，在首級葉輪前設(shè)計(jì)了誘導(dǎo)輪增壓，誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)揚(yáng)程28m，加上除氧器高度25m，才可以滿足抗汽蝕要求。汽動給水泵設(shè)有前置泵，前置泵揚(yáng)程82m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過誘導(dǎo)輪揚(yáng)程，因此汽動給水泵取消誘導(dǎo)輪也能滿足必須汽蝕余量要求，同時不會對泵的流量、揚(yáng)程產(chǎn)生不利影響，還可降低汽動給水泵缺陷發(fā)生幾率。先對9號機(jī)1號汽動給水泵去除誘導(dǎo)輪，運(yùn)行一段時間，監(jiān)測壓力、流量等參數(shù)無變化，陸續(xù)對其他3臺汽動給水泵去除誘導(dǎo)輪。

（3）提高檢修工藝質(zhì)量。給水泵芯包檢修中，嚴(yán)格按照檢修工藝要求執(zhí)行。重點(diǎn)檢測轉(zhuǎn)子小裝后各主要部位的晃度值、瓢偏值，檢驗(yàn)、校正轉(zhuǎn)子靜平衡和動平衡，分別按照《機(jī)械振動恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求》G6.3級和G2.5級精度進(jìn)行。芯包組裝時各軸瓦間隙、轉(zhuǎn)子抬量、轉(zhuǎn)子竄量和平衡裝置間隙等動靜間隙調(diào)整合格，減少裝配誤差，確保檢修工藝質(zhì)量。經(jīng)過采取一系列的處理措施后，該電廠6臺鍋爐給水泵運(yùn)行狀態(tài)良好，解決了泵振動超標(biāo)問題。

四、結(jié)束語

根據(jù)該電廠多臺鍋爐給水泵運(yùn)行中發(fā)生的振動缺陷情況，逐步分析排查引起振動的因素，并結(jié)合給水泵芯包解體檢查情況，最終確定振動的真正原因，導(dǎo)葉內(nèi)水力激振、誘導(dǎo)輪葉片斷裂和轉(zhuǎn)子動平衡不合格。通過實(shí)施針對性的處理措施，解決了給水泵振動超標(biāo)問題，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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