多級離心式鼓風機故障分析及解決措施

程玉春

（國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古包頭 014010）

1 概況

某煤制烯烴項目污水處理裝置安裝了三臺多級離心式鼓風機，該風機正常情況下兩開一備，主要作用是向污水曝氣O池輸送空氣，為活性污泥提供氧源。風機自2016年開始投入運行，運行至1a多時三臺風機振動值開始上升，最大振動值達到18mm/s（標準值控制在7.1mm/s以下）。三臺風機陸續切換維修，但修復后運行了三個月左右振動還會升上來，為此開展了故障診斷分析工作。

臥式多級離心式鼓風機主要參數：規格型號MC120-1.734/0.914；功率250kW；風量6000m3/h；入口常壓；介質空氣；出口風壓0.086MPa（表壓）；額定轉數2979r/min；級數9級葉輪；級間梳齒密封；出口溫度≤120℃，高壓電機驅動。

2 故障分析

2.1 數據采集

對多級離心式鼓風機運行一段時間（從運行到振動超標的前一個月計算）的振動數據進行定期狀態監測。使用VBT35型狀態監測儀，HG8902故障診斷系統（頻譜分析儀）定點監測。振動監測位置見圖1。

圖1 風機振動監測點

風機布置四個離線振動監測點，每個測點分別從X（水平）、Y（垂直）、Z（軸向）三個方向測振值，見表1，監測數據周期為一個月。

表1 風機故障處理前振動值（mm/s）

2.2 數據分析

先后對風機進行了一個月（4周）的振動數據測量，從測點數據中發現，測點①風機非軸伸端X軸水平振動最高18.0mm/s，Y軸振動偏高達到12.3mm/s，測點②水平X軸8.6mm/s，垂直Y軸7.2mm/s接近標準值，③和④水平振動值均高于垂直和軸向振動值。到了第4周風機振動烈度趨勢不斷上漲，已不能連續運行。診斷小組采用HG8902故障診斷系統（振動頻譜儀），利用振動速度V對中頻信號（1kHz以下）有很強敏感性，能夠反映質點運動的快慢，監測動能對設備的破壞[1]，作出頻譜圖（見頻譜圖2）。

圖2 風機在1kHz以下監測振動值相對數值

結合風機振動數據及設備結構特點分析頻譜圖：風機振動以第1周振動數據（良好狀態4.8mm/s）數據作為初始值（即基頻1k，50Hz），將風機運行中實際測得的值與初始值比較，按實測值達到初始值的倍數來判別設備的狀態，即為旋轉機械振動診斷相對標準。相對標準的判斷須有兩個依據：①實際測量振動值與其初始值之比；②所測振動信號的頻率范圍。相對標準將設備狀態的評判分為三個等級：“良好”“注意”“危險”。頻譜圖2中振動頻譜除基頻1X即50Hz23-5X（150～200Hz）時卻有明顯的峰值，并伴有1倍頻，特別3、4倍頻譜比較大，振動不穩定并且水平振動較大、軸向振動小，軸心軌跡雜亂，初步分析認為是出現了機械松動故障，或是基礎松動，或是轉子出現共振或不平衡，或軸承內圈或外圈配合過松。

狀態監測認為不排除共振影響，共振存在于結構的所有部件，包括旋轉軸臨界轉數共有頻率，甚至在管路和水泥地板等，識別共振的簡單方法是比較同一軸承三個方向水平、垂直和軸向的振動值，如果某一方向的振動大于其他方向的振動三倍以上，而風機非驅動端水平振動值大于軸向振動值的3倍左右，并且運行到第4軸所有測點振動值具有上升趨勢，三臺風機都會反復性地出現，為此不排除風機基礎共振問題。

隨后對風機、電機基礎地腳螺栓進行了檢查，緊固良好沒有發現松動，用VBT35型狀態監測儀對基座四周振動進行了檢測，數據平均在5.5mm/s左右，其中有一處6.2mm/s（接近風機振動標準值 7.1mm/s），風機正常運行時基礎不應該有明顯振動，一般在0～1mm/s，不超過2mm/s，可以判斷基礎薄弱或產生振動。

2.3 分析結果

（1）風機基礎振動值偏大，基礎可能出現共振，停機檢查基礎，基礎或機座的剛性不夠或不牢，基礎鋼板薄弱、墊鐵松動、位移、地腳螺栓松動等引起的振動。

（2）從頻譜圖和監測數據來分析，風機9級轉子共振或不平衡，需要停機檢查轉子與軸配合情況，葉輪與主軸配合間隙，風機聯軸器中心找正及軸承磨損，聯軸器與軸配合間隙等情況，并需要對轉子做動平衡試驗。

（3）鼓風機喘振分析。鼓風機的喘振現象是一種常見的現象，直接影響了鼓風機的使用情況，影響鼓風機喘振現象的因素有以下幾種：

①鼓風機進氣狀態。在實際生產中，進（排）氣量忽然減少、機械故障、鼓風機轉速忽然降低、進口風道過濾網堵塞、進氣壓力過低、背壓過高、進氣溫度過高、曝氣頭堵塞、生物池污泥濃度過高、喘振報警裝置失靈等都會引起鼓風機喘振。

②鼓風機管網特性。離心式鼓風機的工作點是鼓風機性能曲線與管網特性曲線的交點，管網阻力增大，其特性曲線將變陡，致使工作點向小流量方向移動。

③鼓風機轉速變化時，其性能曲線也將隨之改變。

3 采取措施

3.1 風機基礎檢查與處理

風機停運后，對風機、電機基礎進行了檢查，發現風機整體基礎在原始安裝過程中出現質量問題，二次灌漿時發現有空洞和裂紋。對二次灌漿空洞和裂紋進行鑿除，然后重新二次灌漿，將基礎加高150mm進行加固處理，制定了施工方案。

依據GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應用技術規范》，采用CGM高強無收縮灌漿料（灌漿后強度不低于C30）。施工前先處理基礎存在的孔洞和裂紋，與設備底板和混凝土基礎表面清理干凈，不得有松動的碎石、浮漿、浮灰、油污、蠟質等；水泥基灌漿材料接觸的混凝土表面充分鑿毛[]；灌漿前24h基礎混凝土表面應充分濕潤，灌漿前1h應清除積水[1]；灌漿過程中嚴禁振搗，可采用灌漿助推器沿漿體流動方向的底部推動灌漿材料[2]；灌漿厚度大于100mm時，應防止產生溫度裂紋。

3.2 風機轉子檢查與處理

檢修人員將風機上蓋打開，對9級葉輪進行了逐項檢查，葉輪轉子（輪轂）與主軸采用普通平鍵20mm×12mm×120mm過盈配合，主軸與輪轂采用溫差法熱套，加熱溫度大約高于環境溫度（20℃）99℃，加熱時應將輪轂整體加熱，保證輪轂中心孔與主軸之間0.12～0.16過盈量。轉子組裝后進行動平衡試驗，動平衡精度G2.5（圖3）。

圖3 風機葉輪與主軸裝配圖

拆卸過程中發現第3和4級葉輪轉子與軸有間隙，不允許有間隙和松動，經卡尺測量鍵槽磨損尺寸變大，出現鍵槽滾鍵。葉輪高速旋轉時，受氣流影響，葉輪和軸之間存在間隙，導致葉輪平衡破壞，是引起振動的主要原因。

轉子是鼓風機的關鍵部件，它高速旋轉對氣體做功，轉子在裝配過程中要求注意以下幾點：

（1）轉子裝配前技術要求。裝配前需對所有葉輪做超速試驗，檢查葉輪的變形和表面質量情況。一般對于電機驅動的風機葉片超過額定轉速10%，葉輪變形可以通過測量徑向尺寸的伸張率來衡量。

葉輪伸張率=（超速后實測尺寸-超速前實測尺寸）/超速前實測尺寸×100%，在超速結束后馬上測量，此伸張率不得大于0.04%，防止12h后測量，伸張率不大于0.025%。

對該風機9級葉輪進行了超速試驗。試驗前測軸徑為821.5mm，額定轉數2979r/min。將葉輪裝在試驗設備的主軸上，夾緊牢固后用手轉動確認靈活，蓋好安全防護罩，所有人員遠離到安全可靠的地帶。啟動試驗設備，觀察轉速儀使葉輪在不小于葉輪最高工作轉數的110%運轉，實測轉數為3300r/min，持續時間不得小于2min。停機后拆下葉輪，測量外緣直徑為821.755mm。試驗數據：

葉輪伸張率=（821.755-821.5）/821.5×%=0.031% ＜0.04%，在規定范圍之內。

對葉輪表面缺陷用磁粉（碳鋼材質）或著色法（不銹鋼葉輪）進行檢查，表面無裂紋、無氣孔等缺陷。

（2）葉輪和轉子上的所有其他零部件都必須緊密裝在軸上，在運行過程中不允許有松動。葉輪裝配采用比較普遍的紅套裝法。

（3）轉子裝配時應進行嚴格的動平衡。轉子裝配后，由于材質不均勻、加工和裝配誤差等因素，使其質量不平衡，產生偏心。

風機轉子做動平衡試驗時，消除不平衡的方法采用加重法和去重法，該離心式鼓風機動平衡去重采用磨削去重，于葉輪外圈外側斷面去重，去重深 度≦0.4mm。為防止復裝時動平衡破壞，平衡后應選對方位，在每個葉輪的輪盤側、軸套和平衡盤外圈以聯軸器端拿紅漆作好位置記號，并從主軸左端（聯軸器端）的軸套開始，逐次給軸套和葉輪編序號。

（4）風機葉輪鍵槽修復。半圓頭普通平鍵尺寸為20mm×12mm×120mm，檢查時發現鍵槽孔間隙變大，邊緣變形，平鍵邊緣有磨損變圓，導致葉輪發生松動。鍵槽修復采用堆焊修復技術，選用同種鋼的焊接材料進行補焊，經過鍵槽修復，更換新鍵，轉子重新做動平衡，修復后安裝。

4 修復投運后運行效果

2018年11 月經過修復后風機開始投入運行，狀態監測小組成員開始對運行振動數據進行采集，數據檢測時間為6個月，前期每周一次，數據穩定之后每月一次。通過6個月的數據監測，風機最大振動數據5.2mm/s，符合振動（≤7.1mm/s以下）標準。

5 結束語

污水處理系統多級離心式鼓風機故障問題經過認真分析，利用狀態監測和頻譜圖數據分析手段，逐步發現問題根源，先后采取了基礎強度加固，解決葉輪與主軸過緊配合存在間隙等故障問題。經過修復運行后，污水三臺離心式鼓風機運行良好，各項參數均符合正常指標，目前已連續運行兩年多沒有大修，延長了設備周期使用壽命，保證了污水處理裝置離心鼓風機的長周期運行。