某燃機電廠水環真空泵振動故障的精密診斷

李必強

（杭州華電半山發電有限公司，浙江 杭州 310015）

發電廠抽真空系統的目的就是排除汽輪機凝汽器中的空氣和非凝結氣體，以建立和維持凝汽器內的真空。凝汽器借助降溫和抽真空將蒸汽變成凝結水，從而降低汽輪機水耗，提高經濟性。水環真空泵由于結構緊湊、工作平穩可靠和適宜抽吸帶液氣體等優點，在大型電廠抽真空系統中得到普遍應用。某燃機電廠S109FA 燃氣-蒸汽聯合循環機組的抽真空系統裝有兩臺水環真空泵，機組正常運行時一備一用。

圖1 水環真空泵工作原理

水環真空泵屬于變容式真空泵，靠泵腔容積的變化來實現吸氣、壓縮和排氣，它抽取容器中的氣體將其加壓到高于大氣壓，從而能克服阻力排出氣體進入汽液分離器，分離后的氣體排入大氣。水環真空泵主要部件是葉輪和殼體，葉輪由葉片和輪轂構成，殼體內部形成一個圓柱體空間，葉輪偏心地安裝在這個空間內。當葉輪在電動機驅動下旋轉時，水由于離心作用被拋向四周，在殼體內表面形成一圈封閉水環。由于葉輪與殼體是偏心的，水環內表面也與葉輪偏心，于是，在水環、葉片、輪轂和殼體之間形成許多互不相通、容積不等的密閉小腔室。隨著葉輪的旋轉，小腔室的容積是不斷變化的。在容積由小變大的過程中，使小腔室與吸氣口相通，就會不斷吸入氣體。在容積由大變小的過程中，已吸入的氣體將被壓縮，當氣體被壓縮到一定程度后，使小腔室與排氣口相通，即可排出已被壓縮的氣體。

1 振動異常的診斷分析

1.1 測試基本情況

2020 年3 月26 日，某燃機電廠運行人員巡檢中發現3#B真空泵軸承異聲，精密診斷工程師到達現場進行振動、超聲數據采集和診斷分析。

3#B 真空泵為NASH TC11 型兩級錐體式水環真空泵，臥式水平布置，電動機驅動，額定轉速490 轉/分，泵兩端軸承是TIMKEN 71450/71751D.X3S-71450 型雙外圈圓錐滾子軸承。如圖2 所示，真空泵共設電機自由端、電機驅動端、泵驅動端和泵自由端四個軸承位置的振動和超聲固定測點，利用TRIO CX7 振動分析儀采集四個測點的水平、軸向和垂直方向振動頻譜、時域波形、解調譜和解調波形圖，利用SDT270 超聲波檢測儀采集四個測點的靜態超聲值和動態時域波形圖。

圖2 真空泵測點布置圖

1.2 振動診斷分析

旋轉機械的振動故障診斷方法有很多，如時域分析、頻域分析、包絡解調分析、沖擊脈沖分析等，我們依靠精密儀器，綜合運用多種方法對3#B 真空泵進行故障診斷分析。

從3 月26 日的振動數據來看，電機兩端軸承的整體振幅較低，且歷次測量值都較穩定，頻譜和解調譜未見軸承故障特征頻率成分，軸承解調波形DW 沖擊值均小于3g。電機兩端軸承超聲靜態RMS 有效值小于基準值，CF 值也小于10，超聲動態波形圖底噪低，未見異常沖擊信號。綜上所述，3#B 真空泵電機側振動、超聲診斷均正常。所以，重點對泵側兩端進行振動和超聲診斷分析。

泵側軸承振動異常，振動頻譜、解調譜、解調波形的幅值都比上次測量有增大趨勢。泵側振動通頻值整體高于電機側，而泵自由端通頻值又高于泵驅動端，如表1 所示，泵自由端垂直方向通頻值達到6.62mm/s，超過預設警告值。

表1 泵自由端、驅動端振動通頻值

泵側振動頻譜呈現明顯的伴有偶然高頻振動的氣穴特征，尤其是泵自由端低頻和高頻范圍內底噪明顯（圖3），說明真空泵存在汽蝕現象。水環真空泵采用水為工作液，當吸入區域的絕對壓力接近水的飽和蒸汽壓時，工作液表面會產生大量汽泡，經過壓縮過渡區域，汽泡會發生破裂，以較大的力打擊金屬表面，使金屬表面遭到破壞，并產生振動。

泵自由端軸承解調波形存在非常明顯的鋸齒形峰值（圖4），水平方向DW 沖擊最大值達到26.5g，說明軸承存在沖擊和磨損。連續的高頻沖擊信號，對軸承運行造成較大影響，會大幅降低軸承使用壽命。

圖3 真空泵自由端軸承頻譜圖

圖4 真空泵自由端軸承解調波形圖

1.3 超聲診斷分析

SDT270 超聲波檢測儀是利用設備在特定的工作狀態下可以產生超聲波的特性進行數據采集，采集過程中，忽略現場各種嘈雜的有聲信號，而只捕捉超聲信號，并對超聲信號的大小通過比較判斷設備運行狀態。

選用針形接觸式探頭，采集靜態數據和超聲時域波形，進行軸承狀態監測。在軸承狀態良好時，測量獲得超聲頻率的噪聲（dB 值），并以此為基準值。當軸承潤滑不良或磨損時，超聲頻率的dB 值會變大，根據差值和趨勢判斷軸承狀態。根據歷史測量記錄，泵側軸承RMS 基準值為28dB 左右，如表2 所示，本次測量泵自由端RMS 靜態值達到44.2dB，超過基準16.2dB，表明進一步的故障狀態，軸承可能存在肉眼可見的磨損。泵自由端的CF 值也達到42.17，遠超10 的標準值。

表2 泵自由端、驅動端超聲靜態值

如圖5 所示，真空泵自由端軸承超聲動態時域波形圖可見明顯的高信噪比鋸齒形沖擊信號，信號峰值最高超過2000μV，說明軸承存在沖擊和磨損。

圖5 真空泵自由端軸承超聲動態時域波形圖

2 檢查處理和效果檢驗

2.1 解體檢查和故障處理

4 月，在檢修車間對3#B 真空泵進行解體檢查，拆除泵自由端和驅動端的軸承室、軸承、泵蓋和錐體組件。現場拆解發現泵自由端軸承外圈滾道存在大量疲勞點蝕（圖6），滾柱摩擦痕跡明顯（圖7）。真空泵自由端二級錐體上有非常明顯的汽蝕斑點和局部磨損（圖8），其背面有圓環形摩擦痕跡。如圖9 所示，真空泵自由端二級葉輪內錐面有摩擦痕跡，并有卷邊和過燒現象，同時，軸上安裝填料和軸承架位置也有磨損。根據現場解體情況分析，泵自由端錐體因為汽蝕產生磨損，葉輪與錐體存在過熱膨脹摩擦，同時，造成泵軸承磨損。

現場解體檢查發現的故障與前期精密診斷分析結論一致，根據故障情況，更換真空泵兩端軸承、填料函填料、軸承蓋唇封、密封墊片等部件，對葉輪內錐面和錐體錐面進行輕微切削和打磨，錐體重新組裝時調整其安裝尺寸，在錐體和泵蓋之間增加密封墊片，按7:1 的比例補償去除的材料總量。

圖6 軸承外圈滾道點蝕

圖7 軸承滾柱摩擦痕跡

圖8 錐體氣蝕磨損

圖9 葉輪摩擦痕跡

2.2 維修后效果檢驗

4 月27 日，精密診斷工程師對維修后安裝就位的3#B 真空泵，重新采集振動和超聲數據，驗證故障是否消除。現場的軸承異聲已完全消失，從泵兩端振動通頻值的對比（表3）可以看出，泵側的振動通頻值明顯下降，均大幅小于預設警告值，泵自由端軸承垂直方向從修前的6.62mm/s 下降至1.75mm/s，振幅在正常范圍內。從振動頻譜看，高頻范圍內300 ～1000Hz 的氣穴特征頻譜完全消失。

表3 泵自由端、驅動端振動通頻值對比

如圖10 泵自由端軸承解調波形對比圖所示，黑色為維修前3 月26 日圖譜，灰色為維修后4 月27 日圖譜，維修后軸向、水平、垂直三個方向原先非常清晰的鋸齒形沖擊信號完全消失，DW 沖擊值也大幅下降，尤其是原先幅值最高的水平方向沖擊值顯著下降。

如表4 所示，泵自由端軸承超聲靜態有效值大幅降低，從44.2dB 降低至21.8dB，小于28dB 的基準值，CF 值從42.17大幅降低至8.32，小于標準值10。如圖11 所示，超聲動態波形圖底噪非常低，維修前的鋸齒形沖擊完全消失，峰值從最高超過2000μV 下降到僅100μV，說明軸承狀態良好。

表4 3#B 真空泵自由端超聲靜態值

圖10 泵自由端軸承解調波形對比圖

圖11 泵自由端軸承超聲動態時域波形圖

3 結語

振動頻域分析是最基本也是最常用的故障診斷方法，每種故障都有其對應的特征頻率，根據特征頻率及其變化可以確定故障性質及嚴重程度。

但一些最早期的軸承故障如潤滑不良、很輕微的磨損等，其故障頻率一般在20 ～60kHz 的超聲段，甚至更高，一般振動頻譜分析儀的傳感器響應范圍無法達到，而包絡解調和沖擊脈沖等方法可以滿足需要。綜合運用振動頻譜、包絡解調和超聲分析等手段，使旋轉機械的振動故障診斷更為準確。