海水淡化多級離心高壓泵振動原因分析

馬玉斐，潘藝昌，唐 益

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東青島 266101)

海水淡化裝置因其高壓力運行，所以要求所有設備必須具備長期高效穩定運行的特性。因各種原因，在裝置中時常出現多級離心高壓泵振動超標，引發機組監控儀表報警或聯鎖停車，對系統運行帶來隱患。

振動是考核多級離心高壓泵可靠性的一個重要指標[1]，振動超標將造成泵內部件的損壞，機組不能正常運行，從而導致物料損失或環境污染，產生的噪音也會對操作人員和周邊環境造成次生危害。

1 工程概況

某電廠海水淡化系統反滲透高壓泵泵頭采用某進口品牌的8級臥式離心泵，額定流量為394 m3/h，額定揚程為3.7 MPa，額定轉速為2 802 r/min。高壓泵的功能是提供符合海水反滲透運行所需流量和壓力的給水，克服膜的滲透壓，保證反滲透產水的出力。高壓泵采用變頻控制，啟動時頻率緩慢升高，流量逐漸增大，以避免對反滲透膜組件的沖擊。

高壓泵由多個單級泵軸串聯而成，通過增加泵級數和提高轉速來提高介質壓力。泵與電機使用軟聯接，進出水口管與泵體通過卡箍聯接。泵頭和電機現場找正安裝，因電機本體質量高達5 t，人工調整較為困難，因此，現場通過調整泵體6個支撐螺桿完成泵與電機的對中安裝，如圖1所示。

圖1 泵整體結構圖Fig.1 Overall Structure of Pump

該高壓泵屬于三類泵B等級，在出廠測試時，按照《泵的振動測量與評價方法》(GB/T 29513—2013)[2]進行振動驗收，性能和振動符合要求，振動烈度合格標準為<4.5 mm/s，試驗停車標準上限值為7.1 mm/s。

在電廠進行首次啟動調試時，發現泵的振動超標，然后通過對泵的設計、制造、安裝、管道配置、操作運行范圍等幾方面進行分析，最終確定了問題所在。但在對泵的拆解分析過程中，泵內部機械件損傷嚴重，同時也導致該電廠的整個海水淡化系統調試嚴重滯后，帶來巨額經濟損失。

2 試驗過程

為了查找振動超標原因，該電廠高壓泵進行了7次試驗運行。

第1次試運行，頻率在15 Hz時，泵體進口垂直于泵軸水平方向振動值高達9.5 mm/s，其他兩個方向、電機及泵各級振動正常；繼續運行2 min左右后，振動值降為1.8 mm/s，緩慢升頻，該振動值趨勢仍為先大后小；升至30 Hz時，振動值高達25.5 mm/s。初步懷疑泵對中存在問題。

相關維修人員進行檢查時，發現對中滿足要求，但泵體支撐螺栓的個別螺母存在未完全緊固現象，對其緊固螺栓后，第2次試運行。電機頻率緩慢上升到32 Hz時，泵進口垂直于泵軸水平方向振動值為13.5 mm/s，超出標準立即停機，詳細運行參數如圖2所示。

圖2 泵的振動值隨頻率變化曲線Fig.2 Vibration Curve of Pump with Frequency Change

深入分析認為，泵入口管道支架設計不足以消除管道重力對水泵產生應力，現場在未脫開進口管道的情況下，對泵的進口增裝支架。

第3次帶載試驗，頻率緩慢上升至34 Hz時，泵進口垂直于泵軸水平方向振動值為9.9 mm/s，仍超出標準值停機。對比第2次啟動，振動有所改善，但并未完全消除，可見管道支架非水泵振動超標的根本原因。再次檢查水泵進出口與管道安裝的情況，發現泵的入口與管道卡箍連接處，存在較大應力和錯口，如圖3所示。

圖3 泵入口管道錯口Fig.3 Pipe Hi-Lo of Pump Inlet

脫開進出口管道，重新進行對中并調整進出口管道。

第4次進行啟泵試驗，在電機頻率升到34 Hz后，泵進口的X方向振動達到11.1 mm/s。相比第3次啟動，振動效果變差。具體數據如表1所示。

表1 第4次啟動各點振動值Tab.1 Vibration Value of Each Point of the Fourth Startup

第5次啟泵并進行觀察和數據測量，在電機頻率升到32 Hz后，泵的進口處振動值最大為5.3 mm/s；電機頻率升到35 Hz，振動陡增最大值超過20 mm/s，在機械密封處產生異響。

對泵進行檢查，發現軸與機械密封壓蓋配合間隙上下存在偏差，且有明顯摩擦痕跡。重新對泵進行對中，并再次進行了2次啟泵試驗。

第6次啟動至36 Hz后，泵各級葉輪處振動測量數據如表2所示。

表2 第6次啟動泵在36HZ時各級振動值Tab.2 Vibration Values at All Levels of the Sixth Pump Startup at 36 Hz

其中，水泵3、4兩級葉輪振動最高，調整3、4級葉輪處支撐螺桿后，第7次啟泵，測量了各級葉輪在不同頻率下的振動最大值，如表3所示。

表3 第7次啟動泵各級葉輪在不同頻率下振動最大值Tab.3 Maximum Vibration Values of Impellers at All Levels of the Seventh Pump Startup at Different Frequencies

頻率升至36 Hz時，水泵各級振動得到改善，但除第7、8級外其余均超停機標準，現場停止水泵試驗。

3 泵的拆解

廠家根據現場測量數據和檢查結果，判斷泵軸已扭曲變形，并懷疑泵體內葉輪和機械密封等部件有損壞，因此，決定對該泵進行拆解檢查。

泵解體后，發現泵軸存在不同程度的磨損，各級葉輪靜環密封面、葉輪動環密封面及導流殼軸套等部件磨損嚴重，如圖4所示。

圖4 水泵拆解后各零部件磨損痕跡 (a)動環；(b)靜環；(c)泵軸；(d)軸承Fig.4 Wear Marks of Parts after Disassembly of Water Pump (a)Moving Ring; (b)Stationary Ring; (c)Pump Shaft; (d) Bearing

對軸的彎曲度進行了測量，最大變形量為1.42 mm，測量值如表4所示。數據表明，泵軸已發生嚴重扭曲變形。

4 原因分析

(1)在未進行泵的對中下，完成了泵的進出口管道的配管及安裝工作。按照《風機、壓縮機、泵安裝工程施工及驗收規范》(GB 50275—2010)[3]中4.1.5章節規定：管道與泵連接后，應復檢泵的原找正精度；當發現管道連接引起偏差時，應調整管道。

(2)在進口管道與泵未脫開的情況下，安裝人員強行通過泵體調整螺栓把泵體抬高進行找中；未遵從行業慣例，在泵的對中找正的過程中把進出口管道松開。

(3)在完成泵與電機找中后，未按照廠家安裝指導文件進行泵體的水平找正。且按照GB 50275—2010中4.1.3章節規定：整體安裝的泵安裝水平，應在泵的進、出口法蘭面或其他水平面上進行檢測，縱向安裝水平偏差不大于0.10/1 000，橫向安裝水平偏差不大于0.20/1 000。

(4)泵的入口管道未按標準設計支架，按照GB 50275—2010中4.1.5章節規定：泵的進出口管道應有各自的支架，泵不得直接承受管道等的質量。雖然在第3次啟動前在進口管道處安裝了支架，但是支架安裝時未把進口管道與泵體卡箍連接處脫開。

(5)啟泵試驗中，在發現泵的振動異常情況下，未及時采取有效的措施檢查發現進口管道安裝問題，而是多次啟泵超標運行。

表4 軸變形量Tab.4 Axial Deformation

基于以上原因及調試期間試驗數據，初步分析認為，此次高壓泵振動超標致使泵軸及內部零部件嚴重損壞的主要原因有以下幾點。

(1)在進口管道與泵連接卡箍未脫開的情況下，進行泵與電機的找中，導致泵進口與管道連接處存在較大應力和錯開，使泵處在管道應力下運行，致使泵的入口處振動超標。

(2)在進行找中后，未對泵的水平進行檢查校正，因管道應力所致使泵的6個支撐螺栓調整不均勻，泵體處于扭曲狀態下運行，導致泵軸多次運行發生扭曲。

5 結論

綜上分析，該8級臥式高壓離心泵由于對中安裝時，進口管道未脫開而將泵整體抬升20 mm，在泵的入口處形成較大應力，且對中安裝后缺少對泵的水平進行校正，泵體處于扭曲狀體下，啟動振動超標運行促使該泵內部零件出現損傷。

通過對該泵振動超標問題的分析，對以后海水淡化系統多級臥式高壓離心泵的安裝和調試有諸多指導和借鑒意見。

(1)多級臥式離心泵現場進出口管道配管結束后，要對泵的找正及水平進行校正。

(2)對于多級臥式離心泵在現場施工和調試前，應制定針對性合理的施工文件和調試程序，可以及早發現問題并妥善解決問題。

(3)加強現場的施工和調試管理監督，從管理制度上嚴格要求安裝和調試應按照相應的標準、規范和廠家指導文件進行工作，杜絕盲目施工和調試。