火電機組泵類設備振動超標原因分析及預防控制

王培磊 鄭睿 殷懷志

摘要：某海外火電機組對泵類設備實施了振動測試，共發現42臺泵存在振動超標問題，結合振動分析儀頻譜，輔助其他檢測手段，對存在振動超標問題的水泵進行了振動原因分析、處理，解決了泵類設備的振動超標問題。基于該項目實踐，對泵類產品振動原因進行了分類、研究，有針對性地提出了泵類產品的振動預防措施，為泵類設備的振動預防控制提供了指導。

關鍵詞：水泵;振動;原因分析;預防控制

0 引言

在火電機組中，泵類設備數量較多，作用較大。泵類設備振動超標是一種較為普遍的現象。振動會對泵性能產生重大影響，因此對泵的振動進行研究非常有必要。通常來說，振動水平增加意味著泵出現故障，同時意味著設備開始自我毀壞。較高的振動最終會由于循環載荷使軸承壽命降低、地基變形、密封失效等，導致泵組損壞，甚至造成較大的安全事故。為了確保泵組及其配套設施安全，必須將泵類設備振動控制在標準、規范要求的范圍內。

1 泵類設備振動原因分析及處理措施

某海外項目的一臺350 MW燃煤電站機組中配套使用了大量轉動設備，如水泵、風機、磨煤機、破碎機等。為了確保設備安全運行，該項目使用FLUKE 810振動測量儀對全廠所有轉動類設備進行了振動檢測，共計發現42臺水泵超出ISO 10816標準規定的振動A區范圍。振動原因分布如圖1所示。

1.1? ? 一倍頻振動問題

根據振動頻譜分析，發現大部分振動為一倍頻，主要為轉子部件不平衡引起的振動，如圖2所示。

一倍頻振動增大的原因有很多，為了找出具體的振動原因，采用包括主要轉子重新進行動平衡、復查聯軸器找正數據、查驗主軸圓周跳動度及端面跳動度、檢查軸承等輔助手段進一步分析。通過分析，對于一倍頻振動增大的水泵，其振動增大的主要原因如下：

1.1.1? ? 轉子部件不平衡

在對消防水泵轉子進行動平衡檢查時，發現平衡精度等級為G100，遠遠超出ISO 1940規定的合格范圍，轉子嚴重不平衡。經過對轉子重新進行動平衡，最終轉子平衡精度等級達到G2.5，完成后重新回裝，泵體振動恢復正常值。

存在類似問題的水泵共有14臺。

1.1.2? ? 設備安裝找正對輪未對中

根據設備安裝手冊及標準，安裝時，設備與電機之間的聯軸器找正偏差應控制在0.05 mm內。再生廢水泵設備在發現振動超標后，復查聯軸器找正值，發現找正值遠遠超出0.05 mm。

聯軸器對中不良將產生附加彎矩，給軸承增加附加載荷，致使軸承間的負荷重新分配，形成附加激勵，引起機泵強烈振動，嚴重時會導致軸承和聯軸器損壞、地腳螺栓斷裂或扭彎、油膜失穩、轉軸彎曲、轉子與定子間碰磨等嚴重后果。因此，要及時處理不對中故障，確保機泵正常運行[1]。

聯軸器經過重新安裝找正，并嚴格控制找正偏差在0.05 mm內，解決了水泵振動問題。

對于對輪不對中導致的振動，轉子徑向振動以一倍頻和二倍頻為主，軸向振動在一倍頻、二倍頻和三倍頻處有穩定的高峰，一般可達徑向振動的50%以上[2]。

存在此類問題的水泵共有11臺。

1.1.3? ? 主軸彎曲

啟動鍋爐給水泵，在發現振動超標后，測量了其主軸的圓周跳動值，發現主軸軸頭圓周跳動值達到了0.15 mm。根據設計圖紙及規范，軸徑40 mm的主軸圓周跳動值應小于0.05 mm，這說明此主軸發生了彎曲。經進一步查驗，發現軸頭配套的聯軸器外緣有明顯撞擊痕跡，初步判斷造成的原因是設備在安裝過程中發生了意外碰撞，軸頭位置發生彎曲。通過校軸，并重新對轉子進行動平衡，振動問題得以解決。

存在此類問題的水泵共有3臺。

1.1.4? ? 軸承損壞

漿液循環泵被發現振動超標后，在對其進行拆卸的過程中發現軸承異常。經進一步查驗，發現軸承內部磨損，更換新的軸承后振動問題得以解決。

存在此類問題的水泵共有3臺。

1.2? ? 其他振動原因分析

1.2.1? ? 葉片通過頻率較高

給水泵的前置泵共有3臺，均出現了振動高的現象，而振動頻譜顯示3臺前置泵均表現為葉片通過頻率較高，如圖3所示。

隔舌與葉輪外徑間的徑向間隙是流體泵、壓縮機和渦輪機的重要設計參數和性能參數。正確選擇該間隙通常是兼顧效率和可靠性的理想設計方案[3]。根據泵類產品設計手冊，離心泵蝸殼隔舌與葉輪外徑間的間隙應控制在葉輪半徑的4%～12%，如圖4所示。

經測量發現，這3臺前置泵的間隙小于4%。經過與原水泵供應商的水泵設計人員反復計算與確認，在充分保證泵效率及性能的前提下，現場對泵殼進行了加工，使得離心泵隔舌與葉輪外徑間的間隙增大。經過處理，前置泵的振動有所減少，另外又在泵驅動端靠近聯軸器位置增加了支架，最終解決了前置泵的振動問題。

1.2.2? ? 基礎強度不足

汽輪機潤滑油的主油泵直接安裝在油箱的頂板上，底部缺乏足夠的強度支撐，導致油泵在工作時振動較高。聯系原供應商后，在油泵底部增加了加強基礎的支撐，振動恢復到標準范圍之內。

存在此類問題的設備共有6臺，原因均為直接將泵體設置在箱體頂板上，而未充分考慮其基礎強度問題。

1.2.3? ? 泵底板不平

清水泵振動超標，在檢查時發現其泵的底座底板變形，后經過對底板進行校正，并與基礎之間實施找平、灌漿處理，最終振動問題得以解決。

存在此類問題的水泵共有2臺。

2 水泵振動的預防及控制措施

經過逐項分析，找到了該海外項目中42臺水泵振動超標的原因，并逐一對水泵進行了處理，振動問題得到解決。但這些問題的解決都花費了大量時間與費用，對于工期緊張的項目，處理這些設備問題給項目整體進展帶來很大影響。因此，預防水泵振動問題非常關鍵。

通過分析可知，引起水泵振動的原因涵蓋了水泵的設計、制造、工廠內試驗、現場安裝等多個環節。因此，應從多個環節做好水泵的振動超標預防工作。

2.1? ? 選擇優秀水泵供應商并加強設計質量控制

選擇知名水泵廠家，同時應選擇具有同型號業績的廠家，盡量選用成熟、可靠的泵型。設備采購時，注意與其他廠家進行技術差異對比，如泵體重量、泵體材質、特性曲線、產品樣本等[4]。

督促供應商在水泵設計時，完全執行水泵設計標準、規范，對于新機型、新產品，應組織評審;重視設計圖紙與規程、規范吻合度的審查，對于超出標準、規范范圍的設計參數，應組織評審。

2.2? ? 加強制造環節質量控制

加強設備制造過程的監造，與供應商在合同中簽署水泵質量檢驗計劃，水泵質量檢驗計劃應至少涵蓋以下內容：

2.2.1? ? 原材料控制

泵殼、葉輪、主軸、口環等水泵的關鍵部件，應嚴格審核其原材料證書。質保書審核時，應注意原材料與材質單的吻合度，確保材質單的真實性與可靠性。必要時要求提供隨爐試樣，對原材料理化指標實施復檢。

關鍵材料如果有熱處理要求，應對其熱處理工藝、熱處理過程及熱處理報告進行監控與審核，確保熱處理符合標準、規范要求。

委托專業監造工程師見證泵殼的水壓試驗，確保水壓試驗過程及最終結果滿足標準要求。

2.2.2? ? 無損探傷

泵殼、葉輪、主軸等部件應進行無損檢測，包括機加工之后，一般要求實施100%超聲探傷檢驗以及100%磁粉探傷或著色滲透探傷。無損探傷應委托專業監造工程師進行100%見證。

2.2.3? ? 尺寸控制

泵殼、葉輪、主軸、口環等水泵的關鍵部件，應嚴格按照圖紙進行尺寸檢驗，包括主軸圓周跳動度、端面跳動度、裝配尺寸、徑向及軸向運轉間隙、轉子軸向竄動量和間隙等。

2.2.4? ? 平衡試驗

按照標準甚至更高的要求，在采購合同中約定平衡試驗等級，要求水泵轉子必須在工廠內完成平衡試驗，并委托專業監造工程師見證葉輪靜平衡試驗以及轉子動平衡試驗。

2.2.5? ? 外購件控制

電機、軸承、機封等外購件對整體泵組的質量至關重要，應加強對電機、軸承等外購設備的質量控制。建議在合同中約定電機、軸承、機封的品牌，要求電機應在電機廠內完成整機測試，并委托專業人員對整機測試的過程進行見證。

2.2.6? ? 整機性能試驗

要求整機泵組在工廠內完成性能試驗，以驗證泵組在運轉狀態下質量滿足要求，包括效率、揚程、流量監測，汽蝕試驗，測試振動、噪聲，監測軸承溫升等。

水泵的整機性能試驗應在額定轉速下完成，尤其是對于海外60 Hz電源項目，應確保工廠試驗條件可以達到全轉速。

2.3? ? 加強現場安裝環節質量控制

水泵在現場安裝前，要求施工單位仔細閱讀安裝手冊及相關標準，并編制施工方案及安裝過程檢驗計劃。

電機及水泵安裝時應嚴格按照施工方案、步驟逐項實施，包括基礎施工、灌漿、地腳負荷分配、對輪安裝、外部管路安裝等。

對輪安裝與找正是水泵設備安裝最重要的環節。泵和電機的聯軸器所連接的兩根軸的旋轉中心應嚴格同心，聯軸器在安裝時必須精確地找正，否則將會在聯軸器上引起很大的應力，并嚴重影響軸、軸承和軸上其他零件的正常工作，甚至引起整臺機器和基礎的振動或損壞等[5]。對此，應委派專業、有經驗的作業人員完成，嚴格控制找正精度，找正精度值根據泵的種類、轉速、連接方式不同而有所不同，因此必須嚴格執行安裝手冊及相關標準，比如轉速3 000 r/min以上的水泵，一般要求找正偏差控制在0.05 mm內。

3 結語

水泵作為電站機組中的重要輔助設備，在機組運行過程中發揮著關鍵作用。振動超標是水泵的常見故障之一，嚴重影響水泵的可靠、安全運行。研究發現，引起水泵振動的原因有很多，只有找出具體原因，才能切實解決問題。為了有效避免水泵振動，最關鍵的是防患于未然，從設計、制造、安裝等環節加強質量控制，方可有效預防水泵振動問題的產生。

[參考文獻]

[1] 石奇峰.離心泵振動超標原因分析及措施[J].中國設備工程，2020（21）：175-177.

[2] 尹洪江.一倍頻振動增大的原因分析[J].中國設備工程，2005（1）：49-50.

[3] AL-QUTUB A，KHALIFA A，KHULIEF Y.Experimental Investigation of the Effect of Radial Gap and Impeller Blade Exit on Flow-Induced Vibration at the Blade-Passing Frequency in a Centrifugal Pump[J].International Journal of Rotating Machinery，2009.

[4] 徐正.水泵振動原因及預防[J].山西電力，2019（5）：59-62.

[5] 楊宏.水泵與電機聯軸器的找正方法介紹[J].云南水力發電，2011，27（5）：101-102.

收稿日期：2020-12-14

作者簡介：王培磊（1982—），男，山東博興人，碩士研究生，工程師，研究方向：電站設備及施工質量控制。