某燃機(jī)電廠水環(huán)真空泵振動故障的精密診斷

李必強(qiáng)

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江 杭州 310015）

發(fā)電廠抽真空系統(tǒng)的目的就是排除汽輪機(jī)凝汽器中的空氣和非凝結(jié)氣體，以建立和維持凝汽器內(nèi)的真空。凝汽器借助降溫和抽真空將蒸汽變成凝結(jié)水，從而降低汽輪機(jī)水耗，提高經(jīng)濟(jì)性。水環(huán)真空泵由于結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)可靠和適宜抽吸帶液氣體等優(yōu)點，在大型電廠抽真空系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。某燃機(jī)電廠S109FA 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的抽真空系統(tǒng)裝有兩臺水環(huán)真空泵，機(jī)組正常運(yùn)行時一備一用。

圖1 水環(huán)真空泵工作原理

水環(huán)真空泵屬于變?nèi)菔秸婵毡?，靠泵腔容積的變化來實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣，它抽取容器中的氣體將其加壓到高于大氣壓，從而能克服阻力排出氣體進(jìn)入汽液分離器，分離后的氣體排入大氣。水環(huán)真空泵主要部件是葉輪和殼體，葉輪由葉片和輪轂構(gòu)成，殼體內(nèi)部形成一個圓柱體空間，葉輪偏心地安裝在這個空間內(nèi)。當(dāng)葉輪在電動機(jī)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，水由于離心作用被拋向四周，在殼體內(nèi)表面形成一圈封閉水環(huán)。由于葉輪與殼體是偏心的，水環(huán)內(nèi)表面也與葉輪偏心，于是，在水環(huán)、葉片、輪轂和殼體之間形成許多互不相通、容積不等的密閉小腔室。隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，小腔室的容積是不斷變化的。在容積由小變大的過程中，使小腔室與吸氣口相通，就會不斷吸入氣體。在容積由大變小的過程中，已吸入的氣體將被壓縮，當(dāng)氣體被壓縮到一定程度后，使小腔室與排氣口相通，即可排出已被壓縮的氣體。

1 振動異常的診斷分析

1.1 測試基本情況

2020 年3 月26 日，某燃機(jī)電廠運(yùn)行人員巡檢中發(fā)現(xiàn)3#B真空泵軸承異聲，精密診斷工程師到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行振動、超聲數(shù)據(jù)采集和診斷分析。

3#B 真空泵為NASH TC11 型兩級錐體式水環(huán)真空泵，臥式水平布置，電動機(jī)驅(qū)動，額定轉(zhuǎn)速490 轉(zhuǎn)/分，泵兩端軸承是TIMKEN 71450/71751D.X3S-71450 型雙外圈圓錐滾子軸承。如圖2 所示，真空泵共設(shè)電機(jī)自由端、電機(jī)驅(qū)動端、泵驅(qū)動端和泵自由端四個軸承位置的振動和超聲固定測點，利用TRIO CX7 振動分析儀采集四個測點的水平、軸向和垂直方向振動頻譜、時域波形、解調(diào)譜和解調(diào)波形圖，利用SDT270 超聲波檢測儀采集四個測點的靜態(tài)超聲值和動態(tài)時域波形圖。

圖2 真空泵測點布置圖

1.2 振動診斷分析

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動故障診斷方法有很多，如時域分析、頻域分析、包絡(luò)解調(diào)分析、沖擊脈沖分析等，我們依靠精密儀器，綜合運(yùn)用多種方法對3#B 真空泵進(jìn)行故障診斷分析。

從3 月26 日的振動數(shù)據(jù)來看，電機(jī)兩端軸承的整體振幅較低，且歷次測量值都較穩(wěn)定，頻譜和解調(diào)譜未見軸承故障特征頻率成分，軸承解調(diào)波形DW 沖擊值均小于3g。電機(jī)兩端軸承超聲靜態(tài)RMS 有效值小于基準(zhǔn)值，CF 值也小于10，超聲動態(tài)波形圖底噪低，未見異常沖擊信號。綜上所述，3#B 真空泵電機(jī)側(cè)振動、超聲診斷均正常。所以，重點對泵側(cè)兩端進(jìn)行振動和超聲診斷分析。

泵側(cè)軸承振動異常，振動頻譜、解調(diào)譜、解調(diào)波形的幅值都比上次測量有增大趨勢。泵側(cè)振動通頻值整體高于電機(jī)側(cè)，而泵自由端通頻值又高于泵驅(qū)動端，如表1 所示，泵自由端垂直方向通頻值達(dá)到6.62mm/s，超過預(yù)設(shè)警告值。

表1 泵自由端、驅(qū)動端振動通頻值

泵側(cè)振動頻譜呈現(xiàn)明顯的伴有偶然高頻振動的氣穴特征，尤其是泵自由端低頻和高頻范圍內(nèi)底噪明顯（圖3），說明真空泵存在汽蝕現(xiàn)象。水環(huán)真空泵采用水為工作液，當(dāng)吸入?yún)^(qū)域的絕對壓力接近水的飽和蒸汽壓時，工作液表面會產(chǎn)生大量汽泡，經(jīng)過壓縮過渡區(qū)域，汽泡會發(fā)生破裂，以較大的力打擊金屬表面，使金屬表面遭到破壞，并產(chǎn)生振動。

泵自由端軸承解調(diào)波形存在非常明顯的鋸齒形峰值（圖4），水平方向DW 沖擊最大值達(dá)到26.5g，說明軸承存在沖擊和磨損。連續(xù)的高頻沖擊信號，對軸承運(yùn)行造成較大影響，會大幅降低軸承使用壽命。

圖3 真空泵自由端軸承頻譜圖

圖4 真空泵自由端軸承解調(diào)波形圖

1.3 超聲診斷分析

SDT270 超聲波檢測儀是利用設(shè)備在特定的工作狀態(tài)下可以產(chǎn)生超聲波的特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集過程中，忽略現(xiàn)場各種嘈雜的有聲信號，而只捕捉超聲信號，并對超聲信號的大小通過比較判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

選用針形接觸式探頭，采集靜態(tài)數(shù)據(jù)和超聲時域波形，進(jìn)行軸承狀態(tài)監(jiān)測。在軸承狀態(tài)良好時，測量獲得超聲頻率的噪聲（dB 值），并以此為基準(zhǔn)值。當(dāng)軸承潤滑不良或磨損時，超聲頻率的dB 值會變大，根據(jù)差值和趨勢判斷軸承狀態(tài)。根據(jù)歷史測量記錄，泵側(cè)軸承RMS 基準(zhǔn)值為28dB 左右，如表2 所示，本次測量泵自由端RMS 靜態(tài)值達(dá)到44.2dB，超過基準(zhǔn)16.2dB，表明進(jìn)一步的故障狀態(tài)，軸承可能存在肉眼可見的磨損。泵自由端的CF 值也達(dá)到42.17，遠(yuǎn)超10 的標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 泵自由端、驅(qū)動端超聲靜態(tài)值

如圖5 所示，真空泵自由端軸承超聲動態(tài)時域波形圖可見明顯的高信噪比鋸齒形沖擊信號，信號峰值最高超過2000μV，說明軸承存在沖擊和磨損。

圖5 真空泵自由端軸承超聲動態(tài)時域波形圖

2 檢查處理和效果檢驗

2.1 解體檢查和故障處理

4 月，在檢修車間對3#B 真空泵進(jìn)行解體檢查，拆除泵自由端和驅(qū)動端的軸承室、軸承、泵蓋和錐體組件?，F(xiàn)場拆解發(fā)現(xiàn)泵自由端軸承外圈滾道存在大量疲勞點蝕（圖6），滾柱摩擦痕跡明顯（圖7）。真空泵自由端二級錐體上有非常明顯的汽蝕斑點和局部磨損（圖8），其背面有圓環(huán)形摩擦痕跡。如圖9 所示，真空泵自由端二級葉輪內(nèi)錐面有摩擦痕跡，并有卷邊和過燒現(xiàn)象，同時，軸上安裝填料和軸承架位置也有磨損。根據(jù)現(xiàn)場解體情況分析，泵自由端錐體因為汽蝕產(chǎn)生磨損，葉輪與錐體存在過熱膨脹摩擦，同時，造成泵軸承磨損。

現(xiàn)場解體檢查發(fā)現(xiàn)的故障與前期精密診斷分析結(jié)論一致，根據(jù)故障情況，更換真空泵兩端軸承、填料函填料、軸承蓋唇封、密封墊片等部件，對葉輪內(nèi)錐面和錐體錐面進(jìn)行輕微切削和打磨，錐體重新組裝時調(diào)整其安裝尺寸，在錐體和泵蓋之間增加密封墊片，按7:1 的比例補(bǔ)償去除的材料總量。

圖6 軸承外圈滾道點蝕

圖7 軸承滾柱摩擦痕跡

圖8 錐體氣蝕磨損

圖9 葉輪摩擦痕跡

2.2 維修后效果檢驗

4 月27 日，精密診斷工程師對維修后安裝就位的3#B 真空泵，重新采集振動和超聲數(shù)據(jù)，驗證故障是否消除?，F(xiàn)場的軸承異聲已完全消失，從泵兩端振動通頻值的對比（表3）可以看出，泵側(cè)的振動通頻值明顯下降，均大幅小于預(yù)設(shè)警告值，泵自由端軸承垂直方向從修前的6.62mm/s 下降至1.75mm/s，振幅在正常范圍內(nèi)。從振動頻譜看，高頻范圍內(nèi)300 ～1000Hz 的氣穴特征頻譜完全消失。

表3 泵自由端、驅(qū)動端振動通頻值對比

如圖10 泵自由端軸承解調(diào)波形對比圖所示，黑色為維修前3 月26 日圖譜，灰色為維修后4 月27 日圖譜，維修后軸向、水平、垂直三個方向原先非常清晰的鋸齒形沖擊信號完全消失，DW 沖擊值也大幅下降，尤其是原先幅值最高的水平方向沖擊值顯著下降。

如表4 所示，泵自由端軸承超聲靜態(tài)有效值大幅降低，從44.2dB 降低至21.8dB，小于28dB 的基準(zhǔn)值，CF 值從42.17大幅降低至8.32，小于標(biāo)準(zhǔn)值10。如圖11 所示，超聲動態(tài)波形圖底噪非常低，維修前的鋸齒形沖擊完全消失，峰值從最高超過2000μV 下降到僅100μV，說明軸承狀態(tài)良好。

表4 3#B 真空泵自由端超聲靜態(tài)值

圖10 泵自由端軸承解調(diào)波形對比圖

圖11 泵自由端軸承超聲動態(tài)時域波形圖

3 結(jié)語

振動頻域分析是最基本也是最常用的故障診斷方法，每種故障都有其對應(yīng)的特征頻率，根據(jù)特征頻率及其變化可以確定故障性質(zhì)及嚴(yán)重程度。

但一些最早期的軸承故障如潤滑不良、很輕微的磨損等，其故障頻率一般在20 ～60kHz 的超聲段，甚至更高，一般振動頻譜分析儀的傳感器響應(yīng)范圍無法達(dá)到，而包絡(luò)解調(diào)和沖擊脈沖等方法可以滿足需要。綜合運(yùn)用振動頻譜、包絡(luò)解調(diào)和超聲分析等手段，使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動故障診斷更為準(zhǔn)確。