火電機(jī)組泵類設(shè)備振動(dòng)超標(biāo)原因分析及預(yù)防控制

王培磊 鄭睿 殷懷志

摘要：某海外火電機(jī)組對(duì)泵類設(shè)備實(shí)施了振動(dòng)測(cè)試，共發(fā)現(xiàn)42臺(tái)泵存在振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，結(jié)合振動(dòng)分析儀頻譜，輔助其他檢測(cè)手段，對(duì)存在振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題的水泵進(jìn)行了振動(dòng)原因分析、處理，解決了泵類設(shè)備的振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。基于該項(xiàng)目實(shí)踐，對(duì)泵類產(chǎn)品振動(dòng)原因進(jìn)行了分類、研究，有針對(duì)性地提出了泵類產(chǎn)品的振動(dòng)預(yù)防措施，為泵類設(shè)備的振動(dòng)預(yù)防控制提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：水泵;振動(dòng);原因分析;預(yù)防控制

0 引言

在火電機(jī)組中，泵類設(shè)備數(shù)量較多，作用較大。泵類設(shè)備振動(dòng)超標(biāo)是一種較為普遍的現(xiàn)象。振動(dòng)會(huì)對(duì)泵性能產(chǎn)生重大影響，因此對(duì)泵的振動(dòng)進(jìn)行研究非常有必要。通常來(lái)說(shuō)，振動(dòng)水平增加意味著泵出現(xiàn)故障，同時(shí)意味著設(shè)備開始自我毀壞。較高的振動(dòng)最終會(huì)由于循環(huán)載荷使軸承壽命降低、地基變形、密封失效等，導(dǎo)致泵組損壞，甚至造成較大的安全事故。為了確保泵組及其配套設(shè)施安全，必須將泵類設(shè)備振動(dòng)控制在標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

1 泵類設(shè)備振動(dòng)原因分析及處理措施

某海外項(xiàng)目的一臺(tái)350 MW燃煤電站機(jī)組中配套使用了大量轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，如水泵、風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、破碎機(jī)等。為了確保設(shè)備安全運(yùn)行，該項(xiàng)目使用FLUKE 810振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)全廠所有轉(zhuǎn)動(dòng)類設(shè)備進(jìn)行了振動(dòng)檢測(cè)，共計(jì)發(fā)現(xiàn)42臺(tái)水泵超出ISO 10816標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)A區(qū)范圍。振動(dòng)原因分布如圖1所示。

1.1? ? 一倍頻振動(dòng)問(wèn)題

根據(jù)振動(dòng)頻譜分析，發(fā)現(xiàn)大部分振動(dòng)為一倍頻，主要為轉(zhuǎn)子部件不平衡引起的振動(dòng)，如圖2所示。

一倍頻振動(dòng)增大的原因有很多，為了找出具體的振動(dòng)原因，采用包括主要轉(zhuǎn)子重新進(jìn)行動(dòng)平衡、復(fù)查聯(lián)軸器找正數(shù)據(jù)、查驗(yàn)主軸圓周跳動(dòng)度及端面跳動(dòng)度、檢查軸承等輔助手段進(jìn)一步分析。通過(guò)分析，對(duì)于一倍頻振動(dòng)增大的水泵，其振動(dòng)增大的主要原因如下：

1.1.1? ? 轉(zhuǎn)子部件不平衡

在對(duì)消防水泵轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)平衡精度等級(jí)為G100，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出ISO 1940規(guī)定的合格范圍，轉(zhuǎn)子嚴(yán)重不平衡。經(jīng)過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子重新進(jìn)行動(dòng)平衡，最終轉(zhuǎn)子平衡精度等級(jí)達(dá)到G2.5，完成后重新回裝，泵體振動(dòng)恢復(fù)正常值。

存在類似問(wèn)題的水泵共有14臺(tái)。

1.1.2? ? 設(shè)備安裝找正對(duì)輪未對(duì)中

根據(jù)設(shè)備安裝手冊(cè)及標(biāo)準(zhǔn)，安裝時(shí)，設(shè)備與電機(jī)之間的聯(lián)軸器找正偏差應(yīng)控制在0.05 mm內(nèi)。再生廢水泵設(shè)備在發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)后，復(fù)查聯(lián)軸器找正值，發(fā)現(xiàn)找正值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出0.05 mm。

聯(lián)軸器對(duì)中不良將產(chǎn)生附加彎矩，給軸承增加附加載荷，致使軸承間的負(fù)荷重新分配，形成附加激勵(lì)，引起機(jī)泵強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承和聯(lián)軸器損壞、地腳螺栓斷裂或扭彎、油膜失穩(wěn)、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)子與定子間碰磨等嚴(yán)重后果。因此，要及時(shí)處理不對(duì)中故障，確保機(jī)泵正常運(yùn)行[1]。

聯(lián)軸器經(jīng)過(guò)重新安裝找正，并嚴(yán)格控制找正偏差在0.05 mm內(nèi)，解決了水泵振動(dòng)問(wèn)題。

對(duì)于對(duì)輪不對(duì)中導(dǎo)致的振動(dòng)，轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)以一倍頻和二倍頻為主，軸向振動(dòng)在一倍頻、二倍頻和三倍頻處有穩(wěn)定的高峰，一般可達(dá)徑向振動(dòng)的50%以上[2]。

存在此類問(wèn)題的水泵共有11臺(tái)。

1.1.3? ? 主軸彎曲

啟動(dòng)鍋爐給水泵，在發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)后，測(cè)量了其主軸的圓周跳動(dòng)值，發(fā)現(xiàn)主軸軸頭圓周跳動(dòng)值達(dá)到了0.15 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范，軸徑40 mm的主軸圓周跳動(dòng)值應(yīng)小于0.05 mm，這說(shuō)明此主軸發(fā)生了彎曲。經(jīng)進(jìn)一步查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軸頭配套的聯(lián)軸器外緣有明顯撞擊痕跡，初步判斷造成的原因是設(shè)備在安裝過(guò)程中發(fā)生了意外碰撞，軸頭位置發(fā)生彎曲。通過(guò)校軸，并重新對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡，振動(dòng)問(wèn)題得以解決。

存在此類問(wèn)題的水泵共有3臺(tái)。

1.1.4? ? 軸承損壞

漿液循環(huán)泵被發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)后，在對(duì)其進(jìn)行拆卸的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)軸承異常。經(jīng)進(jìn)一步查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)部磨損，更換新的軸承后振動(dòng)問(wèn)題得以解決。

存在此類問(wèn)題的水泵共有3臺(tái)。

1.2? ? 其他振動(dòng)原因分析

1.2.1? ? 葉片通過(guò)頻率較高

給水泵的前置泵共有3臺(tái)，均出現(xiàn)了振動(dòng)高的現(xiàn)象，而振動(dòng)頻譜顯示3臺(tái)前置泵均表現(xiàn)為葉片通過(guò)頻率較高，如圖3所示。

隔舌與葉輪外徑間的徑向間隙是流體泵、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)和性能參數(shù)。正確選擇該間隙通常是兼顧效率和可靠性的理想設(shè)計(jì)方案[3]。根據(jù)泵類產(chǎn)品設(shè)計(jì)手冊(cè)，離心泵蝸殼隔舌與葉輪外徑間的間隙應(yīng)控制在葉輪半徑的4%～12%，如圖4所示。

經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，這3臺(tái)前置泵的間隙小于4%。經(jīng)過(guò)與原水泵供應(yīng)商的水泵設(shè)計(jì)人員反復(fù)計(jì)算與確認(rèn)，在充分保證泵效率及性能的前提下，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泵殼進(jìn)行了加工，使得離心泵隔舌與葉輪外徑間的間隙增大。經(jīng)過(guò)處理，前置泵的振動(dòng)有所減少，另外又在泵驅(qū)動(dòng)端靠近聯(lián)軸器位置增加了支架，最終解決了前置泵的振動(dòng)問(wèn)題。

1.2.2? ? 基礎(chǔ)強(qiáng)度不足

汽輪機(jī)潤(rùn)滑油的主油泵直接安裝在油箱的頂板上，底部缺乏足夠的強(qiáng)度支撐，導(dǎo)致油泵在工作時(shí)振動(dòng)較高。聯(lián)系原供應(yīng)商后，在油泵底部增加了加強(qiáng)基礎(chǔ)的支撐，振動(dòng)恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

存在此類問(wèn)題的設(shè)備共有6臺(tái)，原因均為直接將泵體設(shè)置在箱體頂板上，而未充分考慮其基礎(chǔ)強(qiáng)度問(wèn)題。

1.2.3? ? 泵底板不平

清水泵振動(dòng)超標(biāo)，在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)其泵的底座底板變形，后經(jīng)過(guò)對(duì)底板進(jìn)行校正，并與基礎(chǔ)之間實(shí)施找平、灌漿處理，最終振動(dòng)問(wèn)題得以解決。

存在此類問(wèn)題的水泵共有2臺(tái)。

2 水泵振動(dòng)的預(yù)防及控制措施

經(jīng)過(guò)逐項(xiàng)分析，找到了該海外項(xiàng)目中42臺(tái)水泵振動(dòng)超標(biāo)的原因，并逐一對(duì)水泵進(jìn)行了處理，振動(dòng)問(wèn)題得到解決。但這些問(wèn)題的解決都花費(fèi)了大量時(shí)間與費(fèi)用，對(duì)于工期緊張的項(xiàng)目，處理這些設(shè)備問(wèn)題給項(xiàng)目整體進(jìn)展帶來(lái)很大影響。因此，預(yù)防水泵振動(dòng)問(wèn)題非常關(guān)鍵。

通過(guò)分析可知，引起水泵振動(dòng)的原因涵蓋了水泵的設(shè)計(jì)、制造、工廠內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝等多個(gè)環(huán)節(jié)。因此，應(yīng)從多個(gè)環(huán)節(jié)做好水泵的振動(dòng)超標(biāo)預(yù)防工作。

2.1? ? 選擇優(yōu)秀水泵供應(yīng)商并加強(qiáng)設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

選擇知名水泵廠家，同時(shí)應(yīng)選擇具有同型號(hào)業(yè)績(jī)的廠家，盡量選用成熟、可靠的泵型。設(shè)備采購(gòu)時(shí)，注意與其他廠家進(jìn)行技術(shù)差異對(duì)比，如泵體重量、泵體材質(zhì)、特性曲線、產(chǎn)品樣本等[4]。

督促供應(yīng)商在水泵設(shè)計(jì)時(shí)，完全執(zhí)行水泵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，對(duì)于新機(jī)型、新產(chǎn)品，應(yīng)組織評(píng)審;重視設(shè)計(jì)圖紙與規(guī)程、規(guī)范吻合度的審查，對(duì)于超出標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范范圍的設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)組織評(píng)審。

2.2? ? 加強(qiáng)制造環(huán)節(jié)質(zhì)量控制

加強(qiáng)設(shè)備制造過(guò)程的監(jiān)造，與供應(yīng)商在合同中簽署水泵質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)劃，水泵質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)劃應(yīng)至少涵蓋以下內(nèi)容：

2.2.1? ? 原材料控制

泵殼、葉輪、主軸、口環(huán)等水泵的關(guān)鍵部件，應(yīng)嚴(yán)格審核其原材料證書。質(zhì)保書審核時(shí)，應(yīng)注意原材料與材質(zhì)單的吻合度，確保材質(zhì)單的真實(shí)性與可靠性。必要時(shí)要求提供隨爐試樣，對(duì)原材料理化指標(biāo)實(shí)施復(fù)檢。

關(guān)鍵材料如果有熱處理要求，應(yīng)對(duì)其熱處理工藝、熱處理過(guò)程及熱處理報(bào)告進(jìn)行監(jiān)控與審核，確保熱處理符合標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求。

委托專業(yè)監(jiān)造工程師見證泵殼的水壓試驗(yàn)，確保水壓試驗(yàn)過(guò)程及最終結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2? ? 無(wú)損探傷

泵殼、葉輪、主軸等部件應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，包括機(jī)加工之后，一般要求實(shí)施100%超聲探傷檢驗(yàn)以及100%磁粉探傷或著色滲透探傷。無(wú)損探傷應(yīng)委托專業(yè)監(jiān)造工程師進(jìn)行100%見證。

2.2.3? ? 尺寸控制

泵殼、葉輪、主軸、口環(huán)等水泵的關(guān)鍵部件，應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，包括主軸圓周跳動(dòng)度、端面跳動(dòng)度、裝配尺寸、徑向及軸向運(yùn)轉(zhuǎn)間隙、轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)量和間隙等。

2.2.4? ? 平衡試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)甚至更高的要求，在采購(gòu)合同中約定平衡試驗(yàn)等級(jí)，要求水泵轉(zhuǎn)子必須在工廠內(nèi)完成平衡試驗(yàn)，并委托專業(yè)監(jiān)造工程師見證葉輪靜平衡試驗(yàn)以及轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)。

2.2.5? ? 外購(gòu)件控制

電機(jī)、軸承、機(jī)封等外購(gòu)件對(duì)整體泵組的質(zhì)量至關(guān)重要，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電機(jī)、軸承等外購(gòu)設(shè)備的質(zhì)量控制。建議在合同中約定電機(jī)、軸承、機(jī)封的品牌，要求電機(jī)應(yīng)在電機(jī)廠內(nèi)完成整機(jī)測(cè)試，并委托專業(yè)人員對(duì)整機(jī)測(cè)試的過(guò)程進(jìn)行見證。

2.2.6? ? 整機(jī)性能試驗(yàn)

要求整機(jī)泵組在工廠內(nèi)完成性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證泵組在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下質(zhì)量滿足要求，包括效率、揚(yáng)程、流量監(jiān)測(cè)，汽蝕試驗(yàn)，測(cè)試振動(dòng)、噪聲，監(jiān)測(cè)軸承溫升等。

水泵的整機(jī)性能試驗(yàn)應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速下完成，尤其是對(duì)于海外60 Hz電源項(xiàng)目，應(yīng)確保工廠試驗(yàn)條件可以達(dá)到全轉(zhuǎn)速。

2.3? ? 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)節(jié)質(zhì)量控制

水泵在現(xiàn)場(chǎng)安裝前，要求施工單位仔細(xì)閱讀安裝手冊(cè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并編制施工方案及安裝過(guò)程檢驗(yàn)計(jì)劃。

電機(jī)及水泵安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照施工方案、步驟逐項(xiàng)實(shí)施，包括基礎(chǔ)施工、灌漿、地腳負(fù)荷分配、對(duì)輪安裝、外部管路安裝等。

對(duì)輪安裝與找正是水泵設(shè)備安裝最重要的環(huán)節(jié)。泵和電機(jī)的聯(lián)軸器所連接的兩根軸的旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)嚴(yán)格同心，聯(lián)軸器在安裝時(shí)必須精確地找正，否則將會(huì)在聯(lián)軸器上引起很大的應(yīng)力，并嚴(yán)重影響軸、軸承和軸上其他零件的正常工作，甚至引起整臺(tái)機(jī)器和基礎(chǔ)的振動(dòng)或損壞等[5]。對(duì)此，應(yīng)委派專業(yè)、有經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)人員完成，嚴(yán)格控制找正精度，找正精度值根據(jù)泵的種類、轉(zhuǎn)速、連接方式不同而有所不同，因此必須嚴(yán)格執(zhí)行安裝手冊(cè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如轉(zhuǎn)速3 000 r/min以上的水泵，一般要求找正偏差控制在0.05 mm內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

水泵作為電站機(jī)組中的重要輔助設(shè)備，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。振動(dòng)超標(biāo)是水泵的常見故障之一，嚴(yán)重影響水泵的可靠、安全運(yùn)行。研究發(fā)現(xiàn)，引起水泵振動(dòng)的原因有很多，只有找出具體原因，才能切實(shí)解決問(wèn)題。為了有效避免水泵振動(dòng)，最關(guān)鍵的是防患于未然，從設(shè)計(jì)、制造、安裝等環(huán)節(jié)加強(qiáng)質(zhì)量控制，方可有效預(yù)防水泵振動(dòng)問(wèn)題的產(chǎn)生。

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收稿日期：2020-12-14

作者簡(jiǎn)介：王培磊（1982—），男，山東博興人，碩士研究生，工程師，研究方向：電站設(shè)備及施工質(zhì)量控制。