汽動給水泵軸振超標問題分析與處理

趙 超，王華杰，張志清，吳立群，趙建華，張坤

（江蘇闞山發電有限公司，江蘇徐州 221134）

1 背景

某廠給水系統采用的是2 臺50%BMCR（Boiler Maximu Continuous Rating，鍋爐最大連續蒸發量）容量汽泵組和1 臺30%BMCR 容量電泵組，電動給水泵通過液力耦合器調節給水泵轉速，從而調整給水泵出力的大小，作為機組啟動時使用，不考慮備用。1 臺汽動給水泵運行，能夠保證機組60%BMCR 的給水流量，2 臺汽動給水泵運行，滿足機組負荷100%BMCR 的給水流量。汽動給水泵是由原沈陽水泵股份有限公司制造的14×14×16-5HDB 型整體芯包式多級給水泵，芯包為日本荏原全進口芯包，進口設計壓力1.964 MPa，出口設計壓力29.472 MPa，給水泵設計最大流量886.99 t/h、最高轉速5350 r/min。

作為電廠高速旋轉的重要輔機之一，汽動給水泵檢修工作長期以來一直作為該廠汽機專業檢修的重點項目，檢修全過程需要重點關注汽泵推力間隙測量與調整、軸瓦軸承座緊力、軸瓦與軸頸間隙、泵軸全抬量和半抬量調整、軸承的PT 滲透檢驗、聯軸器中心復測等一系列檢修工作。確保給水泵經過解體檢修后，泵出力及軸振和軸瓦溫度均在正常范圍內。

2 問題概述

2021 年5 月25 日，某廠在機組檢修期間更換了2A 汽動給水泵的芯包，14：20 在給水泵投運盤車時，2A 汽泵傳動端和自由端軸振X、Y 相振動值都達到120 μm，該點振動定值為65 μm 報警、80 μm 跳機（圖1）。隨后電控專業將振動值的量程放大，測得傳動端振動值為220 μm，自由端振動值為300 μm。在354 r/min 的低轉速下，現場輔助測量軸承室的振動值小于10 μm，因此該軸振值不能反映軸振的真實情況。

圖1 試轉盤車時2A 汽泵軸振情況

為了進一步排查軸振超標的原因，電控專業現場測量軸頸間隙電壓在2～3 V 波動，由電控專業提供的間隙電壓與軸頸間隙的對應關系所示，如果間隙電壓值在2～3 V 波動，那么對應間隙值即軸振在0.20～0.30 mm，即DCS 上顯示的軸振超標排除了測量系統故障的因素（圖2）。汽機檢修人員現場拆除了汽泵傳動端軸承室上端蓋，通過臨時架上機械百分表來測量軸的跳動值，測量結果是軸頸旋轉一圈跳動值僅有0.01 mm，即電控系統測量的振動值與實際軸頸的跳動值不相符（圖3）。為汽泵自由端軸頸處百分表測量的跳動值是0.01 mm，而自由端電渦傳感器處存在0.09 mm 的軸頸橢圓度，而且在自由端軸頸和電渦傳感器的軸截面區域有明顯的加工痕跡，因此產生了自由端比傳動端的軸振測量值偏大的現象（圖4）。

圖2 間隙電壓與軸頸間隙的對應關系

圖3 測量軸頸實際跳動值0.01 mm

圖4 自由端軸振測點橢圓度0.09 mm

經過光譜測量儀分析出軸頸修復所涂鍍材料為純度99.97%的鉻，軸的母材為410 型馬氏體不銹鋼，涂鍍層與母材為不同材料（圖5）。

圖5 材料檢測

3 軸振的測量原理

電渦流傳感器測量軸振原理是根據輸出電壓的變化來判斷軸振大小，傳感器輸出電壓與軸徑和探頭間距離、被測軸徑處電導率、磁導率有關[1]，轉子旋轉一圈，傳感器輸出電壓可表示為：

其中，U（θ）表示轉子旋轉θ角度時傳感器輸出電壓，z 表示轉子旋轉θ 角度時刻軸徑與探頭間距離，z 的變化就是軸振，ζ 表示轉子旋轉θ 角度時探頭對應處軸徑磁導率，η 表示轉子旋轉θ 角度時探頭對應處軸徑電導率。

對于材料均勻無剩磁的轉子，軸徑圓周各處的ζ、η 是相同的，轉子旋轉一圈輸出電壓的變化僅與z 有關，在排除軸徑上有溝槽和毛刺后，如果轉子旋轉一圈，z 始終不變，說明轉子沒有軸振，此時不論轉子哪個位置旋轉到探頭處，輸出電壓不變，電壓是一個直流量。當轉子繞軸心軌跡的中心旋轉時，z 就發生變化，此時輸出電壓也發生變化，輸出電壓的變化量（即交流量）就反映了軸振。軸振測量的原理就是根據電渦流傳感器輸出電壓的交流量來反映軸振的大小。

4 原因分析

由電渦流傳感器測量軸振原理可知，電渦傳感器對于被測量的給水泵軸頸材料非常敏感，傳感器輸出電壓與軸頸和傳感器探頭間距離、被測軸頸處電導率、磁導率有關，給水泵軸頸修復所使用的高純鍍鉻與母材相比，具有較弱的電磁特性，因為鉻雖然具有元素固有的磁性，但是當溫度大于38 ℃時，鉻金屬會變成順磁性，即吸收磁場。在電渦傳感器和給水泵泵軸表面之間既有磁效應又存在電渦流效應，根據電磁相關轉換理論可知，磁效應與渦流效應產生效果正好相反。軸頸修復使用的鉻金屬涂層吸收了磁場，抵消了部分渦流效應，從而電渦流傳感器感應測量出的軸振是透過鍍鉻層厚度，測得帶有鍍層厚度在內的由母材感應出來的電壓值。而且在給水泵軸頸鍍鉻修復前，母材的損傷程度直接影響到鍍鉻層材料厚度，鍍鉻層材料厚度在圓周方向不一定均勻，這也會導致電渦流傳感器的測量靈敏度發生變化，導致結果產生軸振滿量程的虛假測量信號。

假定在被測給水泵軸頸的圓周方向上，鍍層均勻且厚度也完全一致，此時軸頸的表面相當于是同一厚度的同種材料，那么被測給水泵軸頸處電渦流傳感器的周向靈敏度相同的，按照實際跳動值修正后，軸振測量值可以作為測量有效的結果。文獻［2］中介紹了某廠在2006 年汽動給水泵也是在更換芯包后的啟動過程中，同樣出現了在盤車狀態下，電渦流傳感器測得自由端軸振動在62～163 μm。結合此現象判斷，與該廠本次出現的虛假測量值情況基本相似。此外，文獻［2］，進一步對加工不同鍍鉻層厚度與測量間隙電壓值進行了試驗，試驗條件是在泵軸的圓周方向上涂鍍鉻金屬層，要求每一個試驗泵軸在圓周方向鍍層厚度相同，一共試驗了5 組鍍層厚度不同的泵軸，標定了不同鍍層厚度的泵軸測量面處電渦傳感器相應的靈敏度，定量地得到了電渦傳感器的靈敏度與泵軸鍍層厚度之間的對應關系圖。但是，由于實際泵軸修復過程沿著泵軸圓周方向上涂鍍的鍍層厚度不可能完全相同，因此沿泵軸周向電渦流傳感器測量的靈敏度并不是唯一的，導致現場無法進行精確的測量。

為了進一步驗證鍍層厚度與靈敏度之間的關系，采用泵軸在線下試驗的方法測試，由于泵軸下線后無法進行盤動軸頸測量，因此只能通過移動測點位置的方式進行檢測（圖6）。檢測方法是：先將磁性表座吸附固定在給水泵泵軸表面，表座桿的百分表卡環內安裝本特利3300 電渦傳感器，并手動鎖緊，用1.33 mm標準厚度層式樣片貼服在軸頸處，電渦傳感器沿著軸頸旋轉一周，由于使用了1.33 mm 的標準厚度式樣片作為墊層，軸頸處的橢圓度小于0.01 mm，近似認為電渦傳感器沿軸旋轉一周，間隙是固定的1.33 mm。每測量一次電壓完成后，調整電渦傳感器使垂直厚度式樣片并壓緊在軸頸處，將軸頸自由端和傳動端各劃分12 個點測量，測出在間隙相同時不同位置的電壓值，如圖7 所示。

圖6 現場檢測示意

圖7 間隙相同時傳動端和自由端軸頸周向電壓值

經過現場測量結果顯示，鍍層周向間隙電壓分布受涂鍍層厚度不均勻影響很大，證實2A 汽泵軸振動值超標是鍍鉻層厚度不均勻對電渦傳感器測量產生了影響，測量振動值為虛假信號。

5 處理方案

針對上述軸頸修復產生的軸振測量超標的問題，2021 年11月15 日該廠對芯包重新進行了返廠處理，對汽泵傳動端和自由端軸頸、軸振測點位置按照原來設計要求，采用了與母材材料相同的410 型馬氏體不銹鋼涂鍍，按原設計尺寸對軸頸部位進行了磨削和精密壓光處理，并同步進行了電渦測試檢查（圖8）。修復后的測試結果表明，汽泵軸旋轉一圈，電渦傳感器測試所得的軸振測量值小于0.01 mm，符合汽泵軸振的設計要求。

圖8 傳動端和自由端軸頸修復

6 結論

近年來又出現多家單位汽泵軸因軸頸修復產生軸振超標的問題，通過上述試驗驗證結果表明，汽動給水泵的軸表面使用鍍鉻層修復，對電渦流傳感器靈敏度的影響很大，雖然鉻金屬具有較好的耐磨性和可修復性，但是作為設備維修人員需要全面關注鍍鉻修復對軸頸測量帶來的影響，保證修復后軸振動測量不因鍍層產生虛假信號。建議在泵軸鍍鉻修復工作開展前，設備維修人員和廠家提前溝通，確認電渦流傳感器的檢測位置，確保泵軸測點處的母材材料、鍍層的材料均勻良好。還需關注軸頸涂鍍后熱處理工作產生的鍍層金相組織不均勻等問題，在泵軸修復后建議對軸頸進行電渦流現場測試，確保鍍層不影響軸振參數的正常測量。