電廠閉式水泵振動原因分析及處理研究

汪志

摘 要：某電廠閉式水泵運行期間出現振動大的問題，筆者通過振動測量分析和現場檢查，找出了閉式水泵振動大的原因，是轉子部件質量不平衡、臺板不牢固及葉輪安裝偏差綜合作用的結果。筆者據此提出了切實可行的處理方案，使問題得以解決，保證了閉式水泵的安全穩定運行。

關鍵詞：水泵;振動;頻率;葉片

中圖分類號：U464.138.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.004

離心泵作為電力、化工、環保等領域的主要設備，在長期使用過程中，普遍存在振動大、密封差、效率低等問題，而振動故障問題占的比例最大。

振動作為評價旋轉設備運行可靠性的一個重要指標，對設備穩定運行起到重大影響。振動超標可能引起電機和管路振動，造成軸承等零部件的損壞、連接部件松動、基礎裂紋或電機損壞等。

1 設備狀況及振動測量

某公司630 MW汽輪機機組閉式水系統選用的水泵，是由長沙天鵝工業泵股份有限公司提供的離心泵，型號為IS200—150—400B+。此水泵為懸臂式單級離心泵，泵體尺寸（長×寬×高）為0.83 m×0.67 m×0.915 m，泵軸長0.83 m，軸向水平進水，垂直出水，泵軸承為進口滾動軸承SKF 6311，泵過流部件及葉輪均采用耐磨金屬材料制造。水泵相關參數如表1所示。

該廠閉式水泵于2016年11月投入使用，運行期間出現振動偏大的情況，軸承處振動最大達0.12 mm，懸臂三角支撐處底部臺板振動0.08 mm，通過泵與電機對輪重新找中處理后問題仍未解決。而后，聯系廠家技術人員對兩臺閉式水泵進行了解體檢查，水泵葉輪內部無裂紋，僅有輕微磨損，更換軸承后，閉式水泵振動有所下降，但效果不明顯，振動依然偏大。

為正確快速查明閉式水泵異常振動的原因，在振動故障發生后，筆者利用MS400（IP65）小神探點檢儀對閉式水泵進行振動測試，測點位置選取水泵懸臂軸承處、泵體。通過現場振動測量，測得閉式水泵軸承處水平、垂直、軸向振動數據，如表2所示。泵的振動正常值如表3所示。

同時，選取水泵懸臂軸承處垂直方向振動進行頻域測量，所得頻譜數據如表4所示。

2 振動測試及原因分析

水泵振動的原因是多方面的，泵的轉軸通常與電機軸直接相連，泵的動態性能與電機的動態性能相互影響，這要求泵與電機軸承中心、聯軸器與軸配合程度、軸本身彎曲度、材質、螺栓緊力、彈性塊質量等均需符合技術要求[1]。除此之外，泵葉輪受力狀況與流體狀態影響較大，流體參數與泵性能匹配程度，進、出口管線布置等，均可影響泵動態性能的穩定性[2]。

2.1 泵振動分析的方法及基本步驟

以每個體節點上節點力或者每個節點的偏移作為基本的未知量求解。按照選取基本的未知量的不同，分為偏移法、混合法、力法。選取每個個體節點位偏移作為基本未知量稱為偏移法，每個節點力為基本未知量稱為力法，而選取一部分的節點力和節點的偏移為基本未知量稱為混合法。

2.1.1 離散化

從幾何上用面或者線對將待分析的結構物劃分成有限的個體，即把結構物作為由有限個體構成的集合體，這就是結構物體離散化。按照結構物的形狀、大小不同和分析要求，選擇的個體形式不同，一般節點的設置是在每個個體的邊界上，每個節點和相鄰個體連接。對結構物進行離散化時，依據計算機性能和計算的精度要求確定劃分每個個體的數目和大小。

2.1.2 個體的分析

個體分析的目的是導出個體的節點力和節點偏移之間存在的關系，即建立個體的剛度矩陣。分析桿件結構時，常常以等截面桿作為個體，并且可以直接運用由結構力學導出的公式得出桿端力和個體兩端的節點距離兩者之間的相互轉換關系。

分析彈性力學中的平面問題時，采用節點位移按照一定的函數關系表示在每個平面個體中的任何一個點的位移，把這種函數叫做偏移模式或者是偏移的函數。被選取的位移模式必須確保求解收斂的性質，所以，個體分析的關鍵是建立合理的位移模式。位移模式確定以后，個體的剛度矩陣能夠通過彈性力學的基本方程求解得到[3]。除此以外，要按照靜力學等效的原則，把作用在每一個體上的外載荷簡化到節點上，由此形成等效的節點力。

2.1.3 整體的分析

整體的分析是分析由每個體構成整體的結構[4]，其目的是導出整體結構節點力和節點移之間存在的關系，即建立結構整體的剛度矩陣。整體的分析的基本步驟：首先，按照一定的集成原則將每個體剛度矩陣組合成整體的剛度矩陣，并把個體等效的節點負荷通過一定的規則集合成整體的等效節點的外負荷列矩陣;其次，引入結構偏移的邊界條件，對整體的平衡方程求解，得到基本的未知量個體節點的偏移列矩陣;最后，通過計算，求解個體的變形和內力。

2.2 轉子質量不平衡

轉子不平衡由于有偏心質量m和偏心距e的存在，當轉子轉動時會產生離心力[5]。離心力的大小與偏心質量m、偏心距e及旋轉角速度ω有關，即F=meω2。轉子轉動一周，離心力方向改變一次，因此不平衡振動的頻率與轉子轉速一致，表現為以1倍頻振動分量為主[6]。

由閉式水泵振動測量數據表2中的頻譜可以看出，該廠閉式水泵振動主要是1倍頻成分，占比85.4%，2倍頻占比較小。這表明，水泵振動偏大并非由聯軸器不對中引起，而是由轉子質量不平衡引起的[7]。根據這一特征，再次全面檢查水泵，水泵葉輪完好，無裂紋、汽蝕以及明顯的磨損情況，但發現水泵側聯軸器爪子內有多個不規則的平衡孔，而電機側聯軸器爪子完整，如圖1所示。通常，水泵葉輪高速動平衡時一般不帶聯軸器，此平衡孔極可能是聯軸器本身平衡時遺留下來的，為避免聯軸器質量不平衡導致水泵振動，筆者就重新更換了一套新的聯軸器。

2.3 支撐系統不穩

該廠閉式水泵為懸臂式離心泵，其支撐系統包括軸承三角支撐、基礎底座、臺板等，水泵支撐系統狀態是否牢固穩定，關系到水泵的安全運行[8]。支撐系統的故障，一般有剛度不足、螺栓松動等，影響支撐系統剛度的因素主要有連接剛度和結構等，主要表現為臺板振動大[9]。

振動測量對閉式水泵軸承架和基礎各部分位置，發現軸承三角架底部臺板振動較大，振動約85 um。檢查出軸承三角架一邊的安裝螺釘有松動，使整個軸承架的另一邊為支點進行擺振，處理后振動下降約10 um，但仍然超標。

離心泵的基礎底座及錨固件通常澆筑在混凝土中，設備本身及外圍設備運行時，各種振動通過基座相互影響[10]。對比該廠兩臺機臺板，發現振動大的這臺閉式水泵臺板要比其他臺板薄10 mm。對此，為避免基礎底座錨固件松動，造成設備振動加劇，甚至引發共振，就要對水泵臺板底部進行灌漿處理[11]。

2.4 葉輪安裝及磨損缺陷

葉片通過頻率是泵或風機由于流體的壓力脈動產生的常見振動頻率成分之一[12]。產生葉片通過頻率振動的原因通常有葉片通過頻率共振、管路設計不合理、葉片未在設計工況下運行、安裝偏差或運行磨損等[13]。葉片通過頻率振動是流體機械的流道內產生壓力脈動誘發的高頻振動，其頻率是整圈葉片數與轉速頻率的乘積，即每根葉片通過流道突變或不連續處就產生一次壓力脈動。

由閉式水泵振動測量數據表2中的頻譜可以看出，該廠閉式水泵振動除1倍頻振動分量外，還存在較大的7倍頻振動分量，占比13.9%。由于該離心泵葉輪葉片設計為7片，葉輪解體情況如圖2所示，其葉片通過頻率為轉子工頻的7倍，與測量結果存在7倍頻振動相吻合[14]。因此，該離心泵極可能存在非定常流動下產生的壓力脈動引起的葉片通過頻率振動。通過解體水泵檢查，最后將該泵可能引起葉片通過頻率振動的主要因素確認為，軸承跑外圈導致安裝偏差、葉輪與泵殼間隙不均勻兩個問題，并調整安裝[15]。

3 處理措施及結論

從原因分析和現場實際檢查情況看，水泵基礎不牢固、支撐螺栓松動、聯軸器質量不平衡、葉輪與泵殼之間間隙不均勻，是導致該廠閉式水泵振動大的原因[16]。對此，筆者經過采取臺板灌漿、緊固螺栓、更換聯軸器以及調整葉輪與泵體間隙等措施，最終使閉式水泵振動下降至32 um，解決了閉式水泵振動大的問題[17]。

通過制造、設計與選型工作可以在最大程度上減少離心泵振動情況，相關人員需對制造、設計以及選型工作等給予更多重視和關注。在實際施工過程中，可以從以下三方面著手。

第一，設計離心泵整機的過程中，要根據對應的工藝和工況，確保其符合對應的國際技術標準。設計葉輪和流道時要充分思考和分析介質的物化性質，盡可能減少脫流情況出現，確保葉片的個數和出口角度選擇合理。設計聯軸器結構時，要確保結構上具有較好的減震性。設計管路時，要依據相關技術標準和要求，大力減少壓級，減少損耗[18]。

第二，泵制造過程中，制造人員要正確認識合同和技術協議，定期監工檢查，特別是其中的隱蔽工序，要落實監督工作，出現問題立刻解決，前一道工序未經過驗收，禁止進入下一道施工工序，每個項目都要經過驗收并且合格后才能開展后續制造。

第三，部件選型過程中，施工人員要正確認識泵設計、制造及裝配過程把控，確保力學結構要求。例如，在機封選型過程中，要考慮彈簧材料形式、動靜環密封面以及工況的需求。

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