離心泵振動(dòng)故障診斷及解決措施

張勝國(guó)，張紹英，傅立峰，朱秀慶

(榮盛石化股份有限公司，浙江杭州 311247)

離心泵具有性價(jià)比高、流量均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維修方便的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在聚酯工業(yè)生產(chǎn)中。由于聚酯工藝必須保證裝置連續(xù)性生產(chǎn)，因此其在線設(shè)備必須可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。設(shè)備進(jìn)行計(jì)劃性檢修前的運(yùn)行周期內(nèi)要少發(fā)生甚至不發(fā)生故障。

EG循環(huán)泵(位號(hào)：1252-P01A/B)是PET生產(chǎn)裝置預(yù)縮聚工藝生產(chǎn)階段真空系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性影響真空系統(tǒng)乃至整套PET生產(chǎn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

1 EG循環(huán)泵故障簡(jiǎn)介

EG循環(huán)泵(位號(hào)：1252-P01A/B，AB兩臺(tái)離心泵互為備臺(tái))，單臺(tái)運(yùn)行，定期切換。該泵屬于單級(jí)臥式離心泵，由電機(jī)、聯(lián)軸器和泵體組成，額定流量212 m3/h，中心高320 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 975 r/min，功率110 kW。

兩臺(tái)EG循環(huán)泵自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)一直存在振動(dòng)值偏高的問(wèn)題，尤其是1252-P01A泵振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，經(jīng)過(guò)多次常規(guī)撿修問(wèn)題依然存在，無(wú)法長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，僅作為B泵故障檢修時(shí)的應(yīng)急備臺(tái)使用。

離心泵的異常振動(dòng)是誘發(fā)其他故障的主要原因，曾發(fā)生由于離心泵的異常振動(dòng)導(dǎo)致泵連接體產(chǎn)生裂紋、泵軸軸承異常損壞、軸承抱軸、轉(zhuǎn)軸橫向裂紋、機(jī)械密封短時(shí)泄漏、連接管路振動(dòng)、焊口開(kāi)裂、連接部件松動(dòng)、基礎(chǔ)裂紋、地腳螺栓松動(dòng)或電機(jī)損壞等故障，嚴(yán)重影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，并由此帶來(lái)相應(yīng)的維修費(fèi)用的增加，以及由于設(shè)備故障造成的停產(chǎn)損失。甚至?xí)蛭锪贤饴?dǎo)致嚴(yán)重的安環(huán)事故，給企業(yè)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 離心泵振動(dòng)檢測(cè)

離心泵的常見(jiàn)故障有：轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)子支撐部件聯(lián)接松動(dòng)、機(jī)械密封動(dòng)靜件摩擦及軸承等主要零部件的故障，這些故障的主要特征是機(jī)器伴有異常的振動(dòng)和噪聲。其振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域、頻域反映了離心泵的故障信息，其中時(shí)域分析主要解決離心泵的運(yùn)行狀態(tài)問(wèn)題；對(duì)設(shè)備故障類型、部位和原因的判斷需要選擇頻域分析，即頻譜分析是判斷離心泵故障相關(guān)內(nèi)容的重要方法。

文獻(xiàn)[1]提供了不同故障的特征頻率的判斷依據(jù)。

(1) 不平衡：振動(dòng)頻率為工頻(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速頻率)，水平和垂直方向振動(dòng)的相位差為90°。

(2) 聯(lián)軸器不對(duì)中：聯(lián)軸器平行不對(duì)中時(shí)振動(dòng)頻率為二倍頻。聯(lián)軸器偏角不對(duì)中使轉(zhuǎn)子在軸向產(chǎn)生工頻振動(dòng)。平行偏角不對(duì)中是以上兩種情況的綜合，使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向振動(dòng)，其軸向振動(dòng)相位差為 180°，而徑向振動(dòng)為同相位，這是角度不對(duì)中獨(dú)有的特征。

(3) 軸承座不對(duì)中：振動(dòng)頻率主要是工頻，并伴有二倍頻和三倍頻：滾動(dòng)軸承不對(duì)中還將出現(xiàn)n倍頻，徑向和軸向都會(huì)有較大的振動(dòng)。

(4) 軸彎曲：振動(dòng)頻率主要是工頻，還會(huì)出現(xiàn)二倍頻和三倍頻，一般情況下三倍頻高于二倍頻。

(5) 基礎(chǔ)松動(dòng)：以工頻振動(dòng)為主，徑向較大，垂直更明顯，軸向振動(dòng)很小或正常。

(6) 軸承松動(dòng)：軸承在軸承座中松動(dòng)，振動(dòng)將始終保持工頻和二倍頻。

(7) 轉(zhuǎn)子組件松動(dòng)：振動(dòng)頻率主要是工頻，可能伴有倍頻或1/2、1/3等分?jǐn)?shù)倍頻。

現(xiàn)場(chǎng)故障分析中需對(duì)離心泵振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)頻率和機(jī)器故障的關(guān)系并不是一一相對(duì)應(yīng)的。某一特定頻率的振動(dòng)，可能和多種機(jī)器的故障有關(guān)聯(lián)。需根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析導(dǎo)致振動(dòng)的主要原因。

3 振動(dòng)檢測(cè)及原因分析

適時(shí)對(duì)1252-P01A泵實(shí)施離線測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

離心泵驅(qū)動(dòng)端(圖1測(cè)點(diǎn)1)振動(dòng)數(shù)值為：垂直方向振動(dòng)8.3 mm/s，水平方向振動(dòng)14.1 mm/s。

流體端(圖1測(cè)點(diǎn)2)振動(dòng)數(shù)值為：垂直方向振動(dòng)7.6 mm/s，水平方向振動(dòng)11.8 mm/s。

圖1 EG循環(huán)泵不同的測(cè)點(diǎn)示意圖1：離心泵；2：聯(lián)軸器；3：電機(jī)

離線檢測(cè)的振動(dòng)圖譜如圖2所示。

圖2 泵端速度頻譜及時(shí)域波形

對(duì)于離心泵故障類型的判斷，選擇工頻頻譜分析方法是有效實(shí)用的，因?yàn)殡x心泵的不同故障類型都對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的特征頻率。同時(shí)離心泵故障所引起的振動(dòng)多為強(qiáng)迫振動(dòng)，強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率和輸入工頻是相等的，這為故障類型的判斷提供了重要的理論基礎(chǔ)[2]。

分析離線檢測(cè)離心泵所選部位的速度有效值數(shù)據(jù)，泵端振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，尤其水平方向。所測(cè)量的頻譜中以電機(jī)的工頻振動(dòng)幅值最大，且二倍頻和三倍頻幅值較大，同時(shí)在時(shí)域中沖擊較明顯；水平方向與垂直方向振動(dòng)相位差接近180°。聯(lián)軸器不對(duì)中又可分為平行不對(duì)中、偏角不對(duì)中和平行偏角不對(duì)中三種情況。平行不對(duì)中時(shí)振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子工頻的兩倍(二倍頻)。偏角不對(duì)中使聯(lián)軸器附加一個(gè)彎矩，以力圖減小兩個(gè)軸中心線的偏角。軸每旋轉(zhuǎn)一周，彎矩作用方向就交變一次，因此，偏角不對(duì)中增加了轉(zhuǎn)子的軸向力，從而在兩端軸承的軸向上產(chǎn)生很強(qiáng)的工頻振動(dòng)和較弱的二倍頻振動(dòng)。角度不對(duì)中同樣會(huì)在徑向上產(chǎn)生較強(qiáng)的工頻和二倍頻振動(dòng)。平行偏角不對(duì)中是以上兩種情況的綜合，使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向振動(dòng)，主要特征頻率為工頻、二倍頻和三倍頻。

初步判斷1252-P01A泵的振動(dòng)故障為聯(lián)軸器平行偏角嚴(yán)重不對(duì)中(偏心)引起。

4 排查及措施

4.1 聯(lián)軸器簡(jiǎn)介

1252-P01A泵采用帶中間短軸的加長(zhǎng)型梅花形聯(lián)軸器，聯(lián)軸器外徑是φ140 mm。梅花形聯(lián)軸器是將一個(gè)整體的梅花形彈性環(huán)裝在兩個(gè)形狀相同的半聯(lián)軸器的凸爪之間，通過(guò)凸爪與彈性環(huán)之間的擠壓傳遞動(dòng)力，通過(guò)彈性環(huán)的彈性變形補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移，實(shí)現(xiàn)減振緩沖。為了實(shí)現(xiàn)不拆除電機(jī)檢修離心泵，在離心泵與電機(jī)聯(lián)軸器之間增加一短軸，分別與離線泵、電機(jī)聯(lián)軸器相聯(lián)接。帶中間短軸的梅花形聯(lián)軸器如圖3所示。

圖3 帶中間短軸的梅花形聯(lián)軸器1:電機(jī)端有對(duì)中榫凸緣聯(lián)軸器；2:泵端梅花形聯(lián)軸器；3:短軸；4:短軸梅花形聯(lián)軸器

4.2 不對(duì)中原因分析

對(duì)泵端與電機(jī)端聯(lián)軸器打表測(cè)量，數(shù)值均<0.05 mm，符合技術(shù)要求。重新啟動(dòng)離心泵，測(cè)量離心泵振動(dòng)值依然嚴(yán)重超標(biāo)，不能正常運(yùn)行。

1252-P01A泵的對(duì)中找中心過(guò)程為：首先對(duì)聯(lián)軸器1、聯(lián)軸器2進(jìn)行找中心(需制作專用的找中心架子)，再將裝配有梅花形聯(lián)軸器4的短軸3與聯(lián)軸器1裝配連接，短軸3與聯(lián)軸器1配合精度靠榫槽與凸緣機(jī)加工精度保證，通常不會(huì)測(cè)量短軸3與聯(lián)軸器1的同心度。

在實(shí)施對(duì)中找中心的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)短軸3連接法蘭的凸緣(與電機(jī)端聯(lián)軸器1的榫槽配合面)的尺寸精度不足，技術(shù)要求的配合公差為H7/js6；同時(shí)又在使用、維護(hù)過(guò)程中造成連接法蘭凸緣的損傷，導(dǎo)致聯(lián)軸器端面與軸中心線不垂直。在安裝過(guò)程中，螺絲擰緊后，導(dǎo)致加長(zhǎng)型梅花形聯(lián)軸器的質(zhì)量中心線與電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸不重合，產(chǎn)生偏心質(zhì)量m與偏心距e。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生離心力、離心力矩或兩者兼而有之。離心力的大小與偏心質(zhì)量m、偏心距e及旋轉(zhuǎn)角速度ω的平方成正比，即F離心力=meω2。交變的力(方向、大小均周期性變化)會(huì)引起振動(dòng)，這就是不平衡引起振動(dòng)的原因。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，離心力方向改變一次，因此不平衡振動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)速相一致。短軸3越長(zhǎng)，偏心質(zhì)量m越大，偏心距e越大，聯(lián)軸器端面在運(yùn)行中晃動(dòng)越大，產(chǎn)生的激振力越大。短軸聯(lián)軸器的運(yùn)動(dòng)受泵端聯(lián)軸器的束縛，短軸聯(lián)軸器反作用于泵軸上的不平衡力偶就越大；同時(shí)平行偏角不對(duì)中(見(jiàn)圖4)越嚴(yán)重。由于存在嚴(yán)重不平衡和不對(duì)中故障，表現(xiàn)出大幅值的工頻和二倍頻。

圖4 加長(zhǎng)型聯(lián)軸器平行偏角不對(duì)中示意圖

在EG循環(huán)泵啟動(dòng)后，偏心聯(lián)軸器高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的撓曲變形同時(shí)產(chǎn)生附加力矩，附加力矩導(dǎo)致聯(lián)軸器1與短軸2緊固螺栓松動(dòng)，加劇離心泵軸的振動(dòng)。

除以上導(dǎo)致不對(duì)中的故障原因外，還有以下幾點(diǎn)原因需關(guān)注：1)軸器連接螺栓的周向間距不良，對(duì)稱性被破壞；2)聯(lián)軸器加長(zhǎng)節(jié)偏心，將會(huì)產(chǎn)生偏心力；3)彈性銷和聯(lián)軸器的配合過(guò)緊，使彈性柱銷失去彈性調(diào)節(jié)功能造成聯(lián)軸器不能很好地對(duì)中；4)聯(lián)軸器與軸的配合間隙太大；5)聯(lián)軸器上使用的傳動(dòng)螺栓質(zhì)量互相不等。

4.3 處理措施

針對(duì)聯(lián)軸器不對(duì)中的問(wèn)題，我們將梅花形聯(lián)軸器更換為雙膜片聯(lián)軸器(結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖5)。膜片聯(lián)軸器是靠膜片的彈性變形來(lái)補(bǔ)償所聯(lián)結(jié)兩軸的相對(duì)位移。雙膜片聯(lián)軸器能補(bǔ)償主動(dòng)機(jī)與從動(dòng)機(jī)之間由于制造誤差、安裝誤差、承載變形以及溫升變化的影響等所引起的軸向、徑向和角向偏移。

圖5 雙膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖

任何回轉(zhuǎn)零部件的慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸線之間都有偏心，它在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的不平衡慣性力矩必將引起傳動(dòng)軸系的振動(dòng)。運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中聯(lián)軸器膜片所受附加應(yīng)力的大小與兩軸相對(duì)角位移、兩軸相對(duì)軸向位移、兩軸相對(duì)徑向位移有關(guān)，還與聯(lián)軸器的螺栓數(shù)、膜片厚度、聯(lián)軸器螺栓分布半徑等因素有關(guān)。

雙膜片聯(lián)軸器采用兩端固定的結(jié)構(gòu)，與帶中間短軸的加長(zhǎng)型梅花形聯(lián)軸器相比，減小了懸臂質(zhì)量、水平和垂直方向產(chǎn)生的附加位移偏差也減小。

更換雙膜片聯(lián)軸器后，啟動(dòng)EG循環(huán)泵，測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)值為：垂直方向振動(dòng)1.4 mm/s，水平方向振動(dòng)3.2 mm/s；測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)值為：垂直方向振動(dòng)1.8 mm/s，水平方向振動(dòng)3.0 mm/s。較檢修更換前所測(cè)數(shù)值大為改善。

5 效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)1252-P01A泵的振動(dòng)檢測(cè)，判定故障原因?yàn)槁?lián)軸器不對(duì)中，采取更換雙膜片聯(lián)軸器的措施。更換雙膜片聯(lián)軸器后，離心泵最大振動(dòng)值一直處于3.9 mm/s以下，1252-P01A泵實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。作為應(yīng)用推廣，目前已經(jīng)成功將帶中間短軸的加長(zhǎng)型梅花形聯(lián)軸器全部更換為雙膜片聯(lián)軸器。

對(duì)離心泵進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷有著重要意義。振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)能快速而準(zhǔn)確地定位故障源、診斷出故障原因和損傷程度，根據(jù)診斷結(jié)果制定相應(yīng)的預(yù)防和維修措施，及時(shí)地排除設(shè)備事故隱患、預(yù)防設(shè)備惡性事故，實(shí)現(xiàn)離心泵的預(yù)知維修。振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷技術(shù)提高了離心泵故障診斷的效率，有效避免設(shè)備突發(fā)事故，減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，避免和減少非計(jì)劃停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失。