制氯原水升壓泵振動(dòng)故障分析與處理

王超

摘 ?要：本文針對(duì)制氯原水升壓泵運(yùn)行振動(dòng)超標(biāo)異常現(xiàn)象，進(jìn)行了原因分析并提出處理措施，保障了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)為類似結(jié)構(gòu)的泵提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：振動(dòng) ?松動(dòng) ?腐蝕 ?軸套偏磨

1 引言

電解海水制次氯酸鈉系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“制氯系統(tǒng)”）海水原水取自循環(huán)水泵房旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后2臺(tái)100%制氯原水升壓泵（以下簡(jiǎn)稱“制氯泵”）升壓至制氯系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。制氯泵型式為立式、多級(jí)、單支座液下長(zhǎng)軸泵。根據(jù)制氯系統(tǒng)不同運(yùn)行工況，制氯原水用水量也不同，主要有以下3個(gè)設(shè)計(jì)流量：560m?/h（正常運(yùn)行工況）、420m?/h以及290m?/h。制氯系統(tǒng)入口母管處的壓力要求為0.30～0.40MPa。制氯泵采用變頻控制措施，制氯泵與制氯系統(tǒng)入口處壓力連鎖，根據(jù)制氯系統(tǒng)各種不同工況提供所需的流量保證最低潮位時(shí)制氯系統(tǒng)入口母管處壓力穩(wěn)定在0.30MPa。

在調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)制氯泵B振動(dòng)大，將電機(jī)與泵的連接支架由臨時(shí)碳鋼更改為永久不銹鋼后，振動(dòng)故障并未得到解決，因此通過本文來分析振動(dòng)故障的原因，并提出了改進(jìn)的措施。

2 振動(dòng)故障描述

制氯泵B進(jìn)行帶載試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)，泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值最大為6.22mm/s，遠(yuǎn)超于標(biāo)準(zhǔn)值2.8mm/s，不同頻率下泵驅(qū)動(dòng)端具體振動(dòng)數(shù)值見表2-1。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析表明水平振動(dòng)值與頻率成正比關(guān)系，即振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的升高而變大，而軸向振動(dòng)值很小。

3?振動(dòng)頻譜分析

機(jī)器振動(dòng)故障的發(fā)生、發(fā)展，都會(huì)引起信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化，并且不同故障所生成的頻率成分之間，交叉疊加。因此，振動(dòng)信號(hào)的幅值分析，尚不能對(duì)其振動(dòng)性質(zhì)、內(nèi)在變化、動(dòng)態(tài)行為、故障原因等根本問題作出確定性結(jié)論，這些問題的最終，都需要把復(fù)雜的時(shí)間歷程信號(hào)，由時(shí)域分析轉(zhuǎn)換到頻域分析，稱為頻譜分析法。此方法已成為轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)故障分析診斷的有效工具。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量的頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)主要集中在25Hz左右，與制氯泵轉(zhuǎn)速頻率較為接近，不同頻率下振動(dòng)頻譜見圖3-1。

不同故障所對(duì)應(yīng)的頻率特征如表3-1，根據(jù)表3-1得知轉(zhuǎn)子不平衡故障的頻率為轉(zhuǎn)速頻率，而轉(zhuǎn)速頻率振動(dòng)特性主要體現(xiàn)在不對(duì)中、共振以及松動(dòng)，下面將針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、共振以及松動(dòng)故障進(jìn)行逐一分析診斷。

轉(zhuǎn)子不平衡故障分為轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心及轉(zhuǎn)子部件缺損兩種狀態(tài)。轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心是由于轉(zhuǎn)子的制造誤差、裝配誤差、材質(zhì)不均勻等原因造成，稱此為初始不平衡。由于設(shè)備交付前，轉(zhuǎn)子進(jìn)行過動(dòng)平衡試驗(yàn)且試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，所以基本排除初始不平衡。轉(zhuǎn)子部件缺損是指轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中由于腐蝕、磨損、介質(zhì)結(jié)垢以及轉(zhuǎn)子受疲勞應(yīng)力的作用，使轉(zhuǎn)子的零部件局部損壞、脫落、碎塊飛出等，造成新的轉(zhuǎn)子不平衡，發(fā)生異常振動(dòng)^[1]。由于制氯泵泵軸與葉輪的材質(zhì)均為2205雙相不銹鋼，具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗海水腐蝕能力，所以也排除轉(zhuǎn)子部件的缺損。

轉(zhuǎn)子不對(duì)中通常是指相鄰兩軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。如果不對(duì)中軸的中心線平行但不重合，叫做平行不對(duì)中;如果兩條中心線相交于一點(diǎn)，叫做軸線角度不對(duì)中。大多數(shù)不對(duì)中是平行不對(duì)中和軸線角度不對(duì)中的組合。由于不對(duì)中而增加的旋轉(zhuǎn)力會(huì)對(duì)軸承和密封件施加異常的應(yīng)力，往往導(dǎo)致泵的部件過早損壞和增大能耗。由于制氯泵進(jìn)行過對(duì)中復(fù)測(cè)，且對(duì)中數(shù)據(jù)是滿足要求的（同軸度≤0.10mm、平行度≤0.10mm），所以排除了因不對(duì)中引起的振動(dòng)高。

共振是指機(jī)械系統(tǒng)所受激勵(lì)的頻率與該系統(tǒng)的某階固有頻率相接近時(shí)，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象。兩臺(tái)制氯泵A和B是同一家設(shè)備廠供貨，且運(yùn)行條件和環(huán)境相同，制氯泵A泵并未出現(xiàn)振動(dòng)大的現(xiàn)象;而且通過敲擊試驗(yàn)可以得出其固有頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率并不在同一區(qū)域內(nèi)，敲擊試驗(yàn)見圖3-2，因此可以排除由共振而引起的振動(dòng)大。

機(jī)械松動(dòng)可加劇振動(dòng)狀態(tài)，比只存在不對(duì)中或不平衡時(shí)的振動(dòng)更大^[2]，機(jī)械松動(dòng)通常主要是指結(jié)構(gòu)框架松動(dòng)和基礎(chǔ)松動(dòng)，此種松動(dòng)是緊固連接件的螺栓松動(dòng)、腐蝕或裂紋所致，其破壞力一般比較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)加重設(shè)備的不平衡或不對(duì)中。基本特征表現(xiàn)為頻譜是以較高的1×轉(zhuǎn)頻振動(dòng)為主導(dǎo)，通常情況下徑向振動(dòng)較大，而軸向振動(dòng)很小或正常，與表2-1振動(dòng)數(shù)據(jù)相契合。

根據(jù)以上的頻譜分析可以得出，制氯泵B振動(dòng)故障是由于結(jié)構(gòu)框架松動(dòng)和基礎(chǔ)松動(dòng)所導(dǎo)致，故解體檢修制氯泵B，消除振動(dòng)大的缺陷，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

4?制氯泵解體檢查

通過解體檢修制氯泵B發(fā)現(xiàn)，中間支撐管連接螺栓的雙耳止動(dòng)墊圈由于海水腐蝕而損壞，圖片詳見3-3，導(dǎo)致連接螺栓松動(dòng)和脫落，進(jìn)而支撐管之間出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，又由于支撐管與導(dǎo)軸承通過螺栓連接固定，造成中間軸套偏磨嚴(yán)重，詳見圖片3-4，因此會(huì)出現(xiàn)制氯泵B運(yùn)行過程中振動(dòng)超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)支撐管會(huì)完全脫落，對(duì)泵軸、葉輪、軸承等部件造成巨大破壞。

4.1?止動(dòng)墊圈材質(zhì)分析

止動(dòng)墊圈的設(shè)計(jì)材質(zhì)為316L不銹鋼，泵軸與葉輪等部件的材質(zhì)為2205雙相不銹鋼，在相同條件下2205不銹鋼的耐蝕性要比316L不銹鋼更優(yōu)，下面將針對(duì)316L與2205進(jìn)行比較與分析。

316L不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能，但在海水和其他氯化物以及含硫溶液中則易發(fā)生點(diǎn)蝕，三種陰離子PO3- 4、SO2- 4、NO- 3對(duì)316L的腐蝕影響順序?yàn)镻O3- 4>SO2- 4>NO- 3^[3]，即316L的點(diǎn)蝕隨著陰離子腐蝕強(qiáng)度的減小而增大，而且316L不銹鋼的耐垢下腐蝕性能也不夠理想，墊圈所處的海水中陰離子含量詳見表3-2，因此海水使止動(dòng)墊圈發(fā)生腐蝕斷裂。

2205雙相不銹鋼由奧氏體和鐵素體兩相組織以約各占50%的比例組成，兼?zhèn)鋳W氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性和良好的加工性與鐵素體不銹鋼較高的強(qiáng)度和耐氯化物腐蝕等性能，并且屈服強(qiáng)度約為奧氏體不銹鋼的2倍，疲勞強(qiáng)度也優(yōu)于奧氏體鋼。

因此根據(jù)以上分析止動(dòng)墊圈的材質(zhì)采用2205雙相不銹鋼，保障了墊圈在海水中不會(huì)出現(xiàn)腐蝕開裂的情況，并且在螺紋處添加鎖固劑，進(jìn)一步確保螺栓不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文利用頻譜分析方法對(duì)制氯原水升壓泵的振動(dòng)問題進(jìn)行故障診斷與分析，確定了振動(dòng)原因?yàn)橹箘?dòng)墊圈松動(dòng)導(dǎo)致中間支撐管晃動(dòng)，進(jìn)而使中間軸套發(fā)生嚴(yán)重偏磨，并提出了改進(jìn)方案，即止動(dòng)墊圈的材質(zhì)用2205雙相不銹鋼取代，使振動(dòng)問題得以解決，保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為液下長(zhǎng)軸泵的振動(dòng)故障診斷及材料優(yōu)化提供了重要參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 葛憲福.振動(dòng)信號(hào)分析在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

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[3] 劉佐嘉.316L與2205不銹鋼的腐蝕行為研究現(xiàn)狀[J].北京：北京科技大學(xué)，2010