高速泵的故障診斷及處理

黃佳偉

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部，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)聚烯烴聯合裝置使用高速泵P506和P223分別將丙烷輸送到反應和關鍵沖洗區域，這兩臺泵是裝置的關鍵設備,運行過程中多次發生故障，給裝置長周期安穩運行帶來了很大的影響。針對這一現狀，對高速泵故障原因進行了深入分析，并提出了相應的處理措施。

1 高速泵概況

高速泵是一種特殊離心泵，它結構緊湊，維修方便，同時具有高揚程、低流量、效率較高等工藝特點，在石油化工行業得到了廣泛的應用。這種泵常見為立式泵，其結構最大特點是帶一個增速箱，葉輪轉速可達2 5000～30 000 r/min。此泵采用高強度鋼硬齒面齒輪，箱體、齒輪傳動件、葉輪、誘導輪、滑動軸承等加工精度較高，轉動部件全部做過動平衡，結構設計緊湊合理、運行穩定性好。高速泵的主要傳動部件有聯軸節、輸入軸、中間軸和輸出軸。

(1)聯軸節:常用的有托馬斯聯軸節、薄膜聯軸節；

(2)輸入軸:單齒輪軸,有直齒、斜齒兩種形式，軸兩端各安裝一個深溝球軸承；

(3)中間軸:軸上有主、從動齒輪各一個,從動齒輪有直齒和斜齒兩種,上、下端軸承根據轉速不同有滑動軸承和深溝球軸承兩種；

(4)輸出軸:在軸上裝有直齒齒輪，閉式或半開式葉輪，誘導輪(視泵的汽蝕情況安裝或不安裝)各一個，軸上下端各安裝一套徑向軸向組合式滑動軸承,軸上還裝有齒輪箱側和泵側機械密封三套(串聯或雙端面)[1]。

2 高速泵振動原因分析

高速泵運行過程中會出現振動大的狀況，出現這種情況的原因可能為：一是工藝因素，若泵體內介質部分汽化，需重新停泵排氣；或泵的流量控制不當，此時通過調節泵的回流閥開度可得到有效解決。二是機械故障，按照高速泵的結構,在運行中泵本身可能產生振動的原因有以下幾種：

(1)電機軸和齒輪箱輸入軸不對中。軸不對中主要源于泵安裝或檢修時找正不良,運行過程中也會產生軸不對中。軸的平行不對中主要產生二倍頻徑向振動,伴有多倍頻振動；角度不對中主要產生工頻軸向振動伴有多倍頻振動。在生產實際中,泵的軸不對中往往是兩種不對中的綜合。

(2)滾動軸承故障。導致滾動軸承故障主要有疲勞剝落、永久變形、磨損、腐蝕、斷裂、保持架損壞等原因。高速泵所用的軸承質量較好,軸承箱潤滑油系統也較好,在運行中滾動軸承一般只發生疲勞剝落和腐蝕兩種故障。滾動軸承疲勞剝落引起較大的軸振動,對泵的運行危害較大；軸承腐蝕,會產生較大的噪聲,伴隨一定的振動,加速滾道和滾子的疲勞。

(3)轉動件動平衡不佳。高速泵使用的轉動件(包括葉輪、誘導輪、高速軸、聯軸節)都做過G2.5動平衡，運行過程中一般只有葉輪和誘導輪會受到輸送介質的沖刷和汽蝕作用,以及介質中異物的附著而產生不平衡。葉輪和誘導輪不平衡主要引起一倍工頻徑向振動,隨著振動增加，輸出軸軸頸和徑向軸承發生摩擦,引起輸出軸和徑向軸承燒壞，使振動進一步的增加。

(4)滑動軸承故障。滑動軸承的故障有巴氏合金松脫、巴氏合金磨損、疲勞腐蝕、軸承殼體松動、軸承間隙不當等。高速泵所用滑動軸承結構合理布置恰當，油系統運行穩定正常情況,在大修周期1～2年內不會發生因滑動軸承故障而產生的振動，但在以下幾種情況下可產生故障：①軸承間隙過小會引起軸承巴氏合金過熱熔化,甚至抱軸；②滑動軸承的內表面進入異物會引起磨損；③徑向軸承巴氏合金的磨損、熔化會使滑動軸承的間隙增大,運行時軸頸在軸承中偏心擺動,產生n倍工頻振動(n=1,2,3,…)；④輸出軸上下止推軸承構成一對反向止推軸承，齒輪箱組裝完畢后,輸出軸的軸向竄動量扣除熱膨脹差后就是軸向軸承的運行間隙，齒輪箱裝配時輸出軸竄量過小會引起止推片粘著磨損，巴氏合金熔化或脫落，使振動加大。

(5)軸彎曲。軸的微量彎曲不會產生異常振動，由于齒輪軸有較高的強度以及泵的結構合理，輸入軸和中間軸在運行過程中一般不會產生彎曲，但輸出軸會在運行中由于葉輪或誘導輪受到過度的沖擊而產生彎曲，破壞動平衡。

(6)齒輪故障。齒輪失效有以下形式齒面磨損，齒面膠合和擦傷，齒面接觸疲勞，彎曲疲勞與斷齒以及齒面腐蝕，高速泵所有齒輪都是高強鋼硬齒面齒輪,幾年來從未發生過齒面的磨損、擦傷和接觸疲勞故障，未發生過齒根疲勞與斷齒故障[2]。

3 高速泵的故障診斷

3.1 P223A故障現象、檢修過程及分析

高壓丙烷進料泵P223葉輪最大轉速為23 782 r/min，揚程為1 244 m，流量為7.69 m3/h。P223A自2012年9月檢修以來，共連續運行了約一個月，2013年4月22日夜班發現P223A異聲，主要集中在齒輪箱上部。測試齒輪箱的振動情況，發現齒輪箱振動最大處G1V為9.4 mm/s，超過振動標準，雖可維持使用，但考慮到生產穩定，23日轉為由P223B運行，A臺作緊急備用。28日P223A更換齒輪箱及機封，經工藝處理后備用。檢修期間曾出現新更換P223A機封封液泄漏，懷疑為新更換的機封動、靜環脫開，密封面貼合不嚴，導致密封液泄漏。

拆解故障齒輪箱發現：(1)油系統整體較臟，齒輪箱軸承油流道有雜物；(2)中速軸齒輪、軸承有銹蝕現象(見圖1～2)；(3)經手動盤車發現低速軸上、下軸承尤其是下軸承徑向間隙都較大，懷疑軸承滾珠已出現點蝕或磨損現象。

圖1 中速軸軸承

圖2 中速軸齒輪

原因分析：(1)在密封腔或者密封彈簧一面，出現了固體顆粒，可能是在安裝過程中混入少量雜質引起的；(2)齒輪箱上部出現異聲，應是低速軸上、下軸承徑向間隙過大，軸承滾珠已出現點蝕或磨損現象造成；(3)齒輪箱油系統整體較臟，齒輪箱軸承油流道有雜物，中速軸齒輪、軸承有銹蝕現象，此類現象應是在泵平時加油過程中有少量水進入造成。

3.2 P506故障現象、檢修過程及分析

循環丙烷泵P506葉輪最大轉速為23 862 r/min，揚程為1 250 m，流量為27.6 m3/h。2013年4月25日發現P506B有異聲，測試齒輪箱的振動情況，發現齒輪箱振動最大測點G1V(東西方向)振值為10.7 mm/s，G1H(南北方向)振值為10.5 mm/s，在譜圖上有398.44 Hz的邊帶頻率出現，3377.8 Hz頻率有所上升，懷疑該頻率為齒輪嚙合頻率。27日21∶00 發現P506B油壓低，裝置決定于21∶30 由B泵切換到A泵運行，切換成功，但發現P302沖洗流量小，P302 piston壓力高，判斷為P302主密封粉料倒竄造成沖洗堵，清通后投用正常。

拆解P506B故障齒輪箱發現：(1)油系統較臟；(2)高速軸齒輪銹蝕；(3)低速軸齒輪部分斷齒，低速軸上軸承嚴重損壞；(4)中速軸齒輪部分斷齒(詳見圖3～6)。

圖3 高速軸齒輪銹蝕

圖4 低速軸齒輪損壞

圖5 低速軸上軸承損壞

圖6 中速軸齒輪損壞

原因分析：(1)從齒輪箱損壞來看，首先低速軸上軸承損壞，低速軸竄動量變大，導致低速軸齒輪與中速軸齒輪嚙合不佳甚至齒輪斷齒，齒輪箱振動變大。同時，由于低速軸竄動量不斷變大，也造成聯軸器對中度不好、徑向軸向受力過大而損壞[3]。(2)因受泵切換時沖擊載荷較大，自2010年12月21日至2013年4月22日，該泵共切換12次，切換過于頻繁。(3)齒輪箱油系統較臟，高速軸齒輪銹蝕，可能與平時加油時有少量水進入有關。

4 處理措施

4.1 齒輪箱的檢修處理

注意查看高速泵中滾動軸承的精度、型號等參數，要求精度至少為P4。減少高速軸組件和滑動軸承的磨損問題，在止推面以及軸徑位置不能出現熔接物、過熱痕跡等，如果高速軸的磨痕深度高于25 μm，則需更換高速軸。每次打開齒輪箱檢修，都要檢查高速軸的軸向間隙，特別是更換中間墊片、O型環和推力瓦片時要注意測量高速軸和中間軸的軸向間隙。每次更換滑動軸承后，一定要檢查高速軸的軸向間隙和徑向間隙。安裝葉輪時，葉輪的背面端間隙為1.5～2.0 mm。

4.2 機械密封的安裝及維護

安裝機械密封時一定要檢查備件的質量，靜環上、下往復動作應沒有卡澀現象，補償量是否符合要求。安裝時檢查其壓縮量，靜環的壓縮量在1.8～2.0 mm。機械密封的泄漏情況也需時常檢查，按照機械密封沖洗方案PLAN52，正常情況下密封罐不帶壓力，一旦密封罐壓力表顯示帶壓，表明介質端機封已經出現較大泄漏。根據泄漏出的油的顏色，可準確判斷是密封油還是潤滑油，從而確定機封的運行狀況。此外，還需檢查密封罐內密封油的熱虹吸是否建立，介質端機封的反向沖洗是否正常，保證足夠的沖洗量能及時帶走機封產生的熱量，改善機封工況從而延長機封壽命。

4.3 潤滑油的日常維護

高速泵運行中要經常巡檢并記錄潤滑油溫度、壓力及油位，潤滑油溫度不可超過90 ℃，油壓不易低于0.14 MPa。在高速泵加換油時，一定要嚴格遵守操作規程，防止水進入油路系統，并定期對高速泵密封罐及齒輪箱進行換油清洗。

4.4 加強狀態監測及分析

做好對高速泵的狀態監測數據的收集，通過對測振頻譜圖的分析，能及時掌握齒輪箱內軸承及軸的運行情況，提早發現故障，從而能做到預知性檢修。對于齒輪箱內的齒輪及滾動軸承，振動能量集中在高頻段(1 000 Hz)，加強振動加速度的測量有助于做出正確判斷。

5 結語

通過對P223和P506高速泵故障中發生的磨損、振動、泄漏等原因分析，有針對性地采取了改進措施，掌握高速泵的日常維護技巧，積累了大量對于高速泵的維修經驗，保證維修質量。高速泵的良好使用，不僅取決于泵本身的性能，更重要的是日常的維護保養，良好的日常維護可以延長設備的使用壽命，使其以最佳狀態運行，發揮泵最高的性能，保證其長周期穩定運行，降低生產成本，同時可以減少維修費用。