原油輸送泵振動(dòng)故障原因分析及改進(jìn)

陳 進(jìn)

(中國石化上海石油化工股份有限公司化工部，上海 200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)3#常減壓蒸餾裝置原油輸送泵自裝置運(yùn)行以來，相關(guān)的工藝參數(shù)(流量、揚(yáng)程等)均能滿足要求，但是在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了泵組振動(dòng)過大的不安全隱患。據(jù)現(xiàn)場觀察，泵組振動(dòng)明顯超標(biāo)，已經(jīng)不適合長時(shí)間運(yùn)行下去，給整個(gè)裝置的安全長周期運(yùn)行帶來較大的隱患。針對原油輸送泵振動(dòng)過大的問題，相關(guān)技術(shù)人員對其進(jìn)行了分析，找出了振動(dòng)超標(biāo)的原因，并提出改進(jìn)方案和措施。

1 設(shè)備基本情況

上海石化3#常減壓蒸餾裝置原油輸送泵采用兩用一備的運(yùn)行模式，輸送的原油溫度為70 ℃，原油輸送泵為兩端支撐雙吸式離心泵，位號P-3001A/B/C，由沈陽水泵制造有限公司生產(chǎn)，型號為DSJH8×10×18H-A，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 DSJH8×10×18H-A性能參數(shù)

2 振動(dòng)測試

針對P-3001原油輸送泵振動(dòng)過大的問題，對該工位的原油輸送泵進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試設(shè)備選用美國CSI公司的190振動(dòng)分析測試儀，對P-3001工位在用雙吸離心泵進(jìn)行現(xiàn)場測試，收集機(jī)組的振動(dòng)信息。

2.1 測點(diǎn)布置

根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)組的實(shí)際布置和振動(dòng)情況，選擇布置了12個(gè)測點(diǎn)，具體測點(diǎn)布置如圖1。M1～M4為電機(jī)底座測點(diǎn)，P1～P4為雙吸泵靠近支架蝸殼上的測點(diǎn)，B1～B4為泵的軸承支撐位置測點(diǎn)，B1、B4測點(diǎn)位于泵與電機(jī)之間聯(lián)軸器旁。每個(gè)測點(diǎn)測試3個(gè)方向，分別為A方向的電機(jī)軸向，H方向的軸向水平徑向，V方向的垂直水平面。

圖1 P-3001原油輸送泵測點(diǎn)布置

2.2 測試依據(jù)

GB/T 11347—1989(ISO3945)《大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)烈度現(xiàn)場測量與評定》規(guī)定了功率大于300 kW、轉(zhuǎn)速600～12 000 r/min的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)烈度的評定等級。考慮到P-3001的轉(zhuǎn)速2 970 r/min，由交流電機(jī)拖動(dòng)，功率為630 kW，可參照IV類機(jī)械的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，即振動(dòng)為A級(運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良，Vmax=2.8 mm/s)；振動(dòng)為B級(運(yùn)行狀態(tài)合格，可以長期運(yùn)行，Vmax=7.1 mm/s)；振動(dòng)為C級(Vmax≤18 mm/s，設(shè)備可以長期運(yùn)行，但需隨時(shí)觀察)。當(dāng)Vmax達(dá)18.0 mm/s以上時(shí)，機(jī)組必須停機(jī)維修，消除安全隱患。

2.3 振動(dòng)測試

因該位號3臺泵振動(dòng)原因相同，因此以P-3001B泵為例進(jìn)行說明。表2為P-3001B各測點(diǎn)的振動(dòng)測試數(shù)據(jù)。

表2 P-3001B各測點(diǎn)的振動(dòng)測試數(shù)據(jù)(通頻值) mm/s

由表2可以看出：總體上各測點(diǎn)的軸向振動(dòng)小于水平徑向和垂直徑向，所有測點(diǎn)H方向的振動(dòng)值都超過4.5 mm/s, 所有軸承和泵的水平方向的振動(dòng)都超過11.2 mm/s，其中B4H方向的振動(dòng)值達(dá)22.69 mm/s。按照GB/T 11347—1989(ISO3945)的規(guī)定，該機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)為不合格，應(yīng)立即停機(jī)檢修。

電機(jī)軸向方向的振動(dòng)比水平徑向方向的振動(dòng)小，電機(jī)振動(dòng)總體上可以滿足長期運(yùn)行的要求，初步判斷電機(jī)本身振動(dòng)符合要求，水平徑向振動(dòng)偏高可能是由于其他裝置振動(dòng)傳導(dǎo)所引起的。泵體振動(dòng)也是水平徑向最為嚴(yán)重，其他3個(gè)方向在可運(yùn)行的范圍內(nèi)，只有P3上的振動(dòng)為11.37 mm/s，略大于11.2 mm/s，但不足以構(gòu)成嚴(yán)重威脅。軸承和泵垂直方向的振動(dòng)值都超過4.5 mm/s，沒有超過11.2 mm/s。但軸承上的水平徑向振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過11.2 mm/s，最大可達(dá)22.7 mm/s，已屬于嚴(yán)重超標(biāo)，給機(jī)組運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可以認(rèn)為機(jī)組的振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，運(yùn)行狀態(tài)屬于不合格，應(yīng)當(dāng)查明原因，制定檢修方案，對P3001B泵及時(shí)停機(jī)檢修。

3 振動(dòng)原因分析

為了找出泵組產(chǎn)生振動(dòng)的原因，利用頻譜分析儀對各測點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，為制定相應(yīng)的改造方案和措施提供理論依據(jù)。

對B泵組各測點(diǎn)的振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，取振動(dòng)值大于4.5 mm/s的點(diǎn)為分析點(diǎn)，得到相應(yīng)頻率組成(見表3)。

表3 振動(dòng)值大于4.5mm/s測點(diǎn)的振動(dòng)頻率組成

續(xù)表3

由表3可以看出：對電機(jī)而言，盡管振動(dòng)偏高，但仍在振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)控制的范圍內(nèi)，且主要振動(dòng)頻率為1f倍頻，同時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組其他位置的振動(dòng)比較大，因此有可能是其他位置的振動(dòng)傳導(dǎo)所致。

軸承位置各測點(diǎn)水平方向振動(dòng)頻率最大，分別為22.64，14.80，13.97，22.7 mm/s；垂直徑向居中，軸向最小，說明整個(gè)機(jī)組的水平方向剛度較弱，其對應(yīng)的振動(dòng)頻率分別為1f和2f。也包含分量的4f，其中以1f的成分最大，4f成分也不可忽視。

泵體部分的測點(diǎn)也和軸承部分相同，水平徑向的振動(dòng)頻率最大，分別為19.93，16.44，17.01，19.67 mm/s，均為振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，說明泵體上支撐水平剛度較差。垂直徑向相對較好，在振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，軸向也存在部分超標(biāo)的情況。從振動(dòng)頻率來分析，出現(xiàn)的振動(dòng)頻率為1f、2f和4f，其中以1f為主，占據(jù)了相當(dāng)大的部分。

針對泵的振動(dòng)以1f為主的特點(diǎn)，說明B泵組轉(zhuǎn)子的整體平衡性不好，振動(dòng)是由轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量所引起的，需要針對質(zhì)量不平衡的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的整改。B泵組振動(dòng)同時(shí)存在2f，這是由于整體轉(zhuǎn)子電機(jī)和泵組聯(lián)軸器位置的對中不良所引起的，振動(dòng)中出現(xiàn)的4f，主要集中在泵體和軸承支撐位置，對照該泵所使用滾動(dòng)軸承異常振動(dòng)頻率可以看出，無論滾動(dòng)軸承出現(xiàn)什么樣的問題，幾乎不可能出現(xiàn)4f振動(dòng)[1]。因此，對于出現(xiàn)的4f振動(dòng)，結(jié)合泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步可以排除軸承問題，可能是由流動(dòng)產(chǎn)生脈動(dòng)所引起的。

4 改造措施及方案

針對B泵組的振動(dòng)情況,結(jié)合前面的原因分析，考慮采取不同的措施進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4.1 1f振動(dòng)

1f徑向振動(dòng)主要是由轉(zhuǎn)子的不平衡所引起的，1f軸向振動(dòng)主要是由偏角不對中所引起的。對于B泵組而言，出現(xiàn)了徑向振動(dòng)1f、軸向振動(dòng)1f、徑向振動(dòng)2f和4f偏高的振動(dòng)情況，應(yīng)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的檢修。

(1)檢查泵轉(zhuǎn)子葉輪的結(jié)垢、磨損情況

由于泵的工作介質(zhì)由清水變成了原油，再加上泵處于長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件，葉輪的結(jié)垢和磨損會出現(xiàn)較大變化。

(2)檢查軸的彎曲情況

泵組的工作條件是在原油被加熱的條件(工作溫度為70 ℃)下輸送的，因此需要結(jié)合轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡情況，來判斷泵組在靜態(tài)和工作狀態(tài)下是否存在較大的軸彎情況。降低加熱溫度有利于改善振動(dòng)，因此控制原油輸送的溫度十分重要。

(3)現(xiàn)場動(dòng)平衡

在滿足強(qiáng)度要求的前提下，對B泵組的轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡測試，在動(dòng)平衡測試的過程中，可根據(jù)動(dòng)平衡的難易程度來分析轉(zhuǎn)子是否存在較大軸彎曲的情況。

(4)檢查聯(lián)軸器的對中情況

由于偏角不對中出現(xiàn)的振動(dòng)是軸向1f，因此振動(dòng)聯(lián)軸器偏角不對中也是引起泵組1f振動(dòng)的原因之一，整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)也存在軸向1f較大的情況。聯(lián)軸器兩側(cè)存在高度差，且高度還存在差異，導(dǎo)致泵組出現(xiàn)偏角不對中的情況，造成了兩個(gè)軸線產(chǎn)生了相交。

4.2 2f振動(dòng)

機(jī)組的振動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)存在由對中不良引起的。徑向2f振動(dòng)，與1f振動(dòng)相比振動(dòng)較小，振動(dòng)信號說明泵體和電機(jī)的支撐不在同一水平上，而且兩個(gè)面出現(xiàn)相交。目前泵體和電機(jī)的支撐面高度不一致，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的情況，說明存在一個(gè)支撐線沿承軸方向上存在高度差，必須進(jìn)行調(diào)整。

4.3 4f振動(dòng)

對于振動(dòng)信號中出現(xiàn)的4倍頻，最大位置出現(xiàn)在泵體上，而且靠近蝸殼出口一側(cè)較大，分別達(dá)到7.00，6.92 mm/s；而另一側(cè)分別為3.77，4.37 mm/s。結(jié)合泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)可以判斷，該頻率的振動(dòng)是由流體介質(zhì)流過葉輪通道產(chǎn)生的尾跡造成速度不均勻，在蝸舌位置引起的振動(dòng)[2]。泵組的葉輪為4片，介質(zhì)由清水變成原油后，由于黏度的變化導(dǎo)致葉輪出口速度分布的不均性增大，造成4f振動(dòng)振動(dòng)增大，必須從改進(jìn)葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流場入手來減小此類振動(dòng)。

4.4 檢修改造具體措施

根據(jù)以上分析，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況及考慮改造的可行性，對原油泵進(jìn)行改造，所用的材料和原基礎(chǔ)的相同。

(1)對電機(jī)進(jìn)行檢修；

(2)檢查泵轉(zhuǎn)子的結(jié)垢和磨損情況，對離心泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡；

(3)檢查軸的彎曲情況；

(4)檢查聯(lián)軸器的對中狀態(tài)，主要考慮是由泵的支撐在軸線方向上存在的高度差導(dǎo)致的偏角不對中；

(5)更換軸承；

(6)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和檢查，發(fā)現(xiàn)泵體的支撐基礎(chǔ)剛度偏弱，特別是在垂直軸線的水平方向，各個(gè)測點(diǎn)位置上的水平徑向方向的振動(dòng)偏大，考慮在原有基礎(chǔ)上增加泵體的支撐剛度。因此對泵基礎(chǔ)進(jìn)行改造目的是增加垂直和水平方向上的剛度，改造后要保證電機(jī)和泵的中心高度一致，泵的4個(gè)支撐點(diǎn)水平高度一致且在一條直線上(水平徑向也不能出現(xiàn)偏差)。

5 改造效果分析

根據(jù)具體的檢修和改造方案，對泵機(jī)組進(jìn)行了檢修和改造。改造后對泵機(jī)組的振動(dòng)重新進(jìn)行測試，測點(diǎn)的位置選擇和改造前的位置一樣，以便和改造前的振動(dòng)情況進(jìn)行比較。

B泵組改造前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表4。

表4 B泵組改造前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)

從表4可以看出：通過第一次的修復(fù)，B泵組的振動(dòng)明顯改善，整個(gè)泵組的振動(dòng)只有11.86，12.46 mm/s兩個(gè)點(diǎn)超過11.20 mm/s，多數(shù)測點(diǎn)的振動(dòng)已經(jīng)明顯減小，其中最大減幅達(dá)到89.5%。對于軸向振動(dòng)，所有測點(diǎn)的振動(dòng)值均小于4.5 mm/s，其中P3A方向的振動(dòng)值由原來的11.371 1 mm/s降到1.594 3 mm/s，降幅達(dá)86%。對于水平徑向H的振動(dòng)，所有測點(diǎn)的振動(dòng)均有所降低，并且振動(dòng)值均小于4.5 mm/s，達(dá)到振動(dòng)優(yōu)良狀態(tài)。對于垂直徑向V的振動(dòng)多數(shù)測點(diǎn)的振動(dòng)均小于7.1 mm/s，但B1和B4V方向的振動(dòng)沒有減小，反而增加，達(dá)到12.46，11.87 mm/s，超過了11.20 mm/s，位置處于電機(jī)和泵體之間。這種情況需通過頻譜分析原因，采取具有針對性的措施。

6 結(jié)語

針對企業(yè)雙吸離心泵的振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)的問題，通過現(xiàn)場振動(dòng)測試，根據(jù)振動(dòng)信號頻譜分析的結(jié)果，對可能引起振動(dòng)的各種主要原因進(jìn)行分析，并采用相應(yīng)的檢修方案對其實(shí)施改造。經(jīng)過再次現(xiàn)場測試，泵組的振動(dòng)明顯減小，符合相關(guān)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，可以確保雙吸泵長期、安全運(yùn)轉(zhuǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。利用故障診斷技術(shù)對在用機(jī)組進(jìn)行故障診斷與分析，判定最佳檢修方案是一種良好的手段和技術(shù)。