高壓液氨泵振動周期性波動原因分析

魏 傲，陳武東

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動故障種類繁多，并且各自對應(yīng)著不同的機(jī)理，即使是相同的表征現(xiàn)象，其內(nèi)在機(jī)理也不一定相同，其中，振動周期性波動是這類典型故障。導(dǎo)致振動周期性波動的原因很多，實踐中應(yīng)追根溯源，找到產(chǎn)生波動的根本原因，才能進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，采取有效的措施消除故障。

海洋石油富島有限公司化肥一期年產(chǎn)52萬噸尿素裝置，采用從意大利Snam公司引進(jìn)的氨氣提法生產(chǎn)工藝進(jìn)行大顆粒尿素生產(chǎn)，是國內(nèi)第一套生產(chǎn)大顆粒尿素的裝置，主要生產(chǎn)直徑2.0～4.0 mm的大顆粒尿素，產(chǎn)品符合國標(biāo)GB 2440—2001《尿素》要求。高壓液氨泵作為尿素裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用是將液氨升壓到反應(yīng)所需要的壓力。

1 工藝流程

海洋石油富島有限公司化肥一期尿素裝置使用的高壓液氨泵（P101A/B）是中速多級離心泵，由意大利新比?。∟UOVO PIGNONE）公司設(shè)計并制造，工藝流程如圖1所示。

圖1 尿素裝置工藝流程

合成裝置供給的液氨首先通過氨過濾器（S102）進(jìn)行過濾，然后進(jìn)入氨受槽（V105）中，再進(jìn)入氨升壓泵（P105）進(jìn)行加壓，壓力達(dá)到到2.5 MPa后進(jìn)入到高壓氨泵（P101），通過多級壓縮加壓，當(dāng)壓力升至22.35 MPa后通過氨預(yù)熱器（E107）進(jìn)行預(yù)熱處理，最后通過甲銨噴射器（L101）混合噴射進(jìn)入尿素合成塔（R101）中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成尿素。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

海洋石油富島有限公司化肥一期裝置所用的高壓液氨泵（P101A/B）結(jié)構(gòu)組成為單缸、二段、十級葉輪的中速離心泵，其型號為：4×10-DDHF/10ST，裝置現(xiàn)場配備2臺泵，一開一備,其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 多級離心式高壓液氨泵（P101B）主要技術(shù)參數(shù)

如圖2所示：高壓液氨泵分為泵體內(nèi)缸和泵體外缸兩個部分，外缸為筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸為水平剖分式結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子包含10級葉輪、中間襯套、平衡襯套、軸套以及軸等；采用干氣密封作為端面密封，型號：28VL/28VL串級式，為英國約翰·克蘭（JOHN CRANE）公司產(chǎn)品；采用可傾瓦式軸承作為徑向軸承，金斯伯雷型軸承為止推軸承。按照設(shè)計要求，高壓液氨泵正常運(yùn)行時轉(zhuǎn)子各部位間隙及跳動值應(yīng)在一定范圍內(nèi)（圖3）。

圖2 高液氨泵結(jié)構(gòu)

圖3 高壓氨泵轉(zhuǎn)子各部位間隙及跳動值要求（單位：mm）

3 故障現(xiàn)象

2019年4月海洋石油富島有限公司尿素裝置高壓液氨泵（P101B）檢修后試車，DCS顯示振動值如圖4所示，泵體兩端軸承振動值均在40μm以上，運(yùn)行溫度正常。運(yùn)行0.5 h后停泵備用。

圖4 DCS系統(tǒng)振動值

2019年11月21日，將高壓液氨泵倒泵至P101B運(yùn)行。經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，P101B驅(qū)動側(cè)振動值V41252C/D呈現(xiàn)出周期性波動現(xiàn)象，且同一側(cè)的兩個探頭的變化趨勢相反，波動周期約為24 h，持續(xù)時間約為5 h。振動值波動趨勢如圖5所示。

圖5 振動值波動趨勢

4 原因分析

根據(jù)機(jī)泵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，引起該泵產(chǎn)生振動周期性波動的可能原因有碰摩、油膜失穩(wěn)、存在莫頓效應(yīng)、轉(zhuǎn)子存在不平衡量等。

由于該泵未接入狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，無法通過具體的頻譜圖進(jìn)一步判斷?，F(xiàn)場采用手持測振儀測得殼振頻譜。驅(qū)動側(cè)軸承振動頻譜如圖6所示，止推側(cè)軸承振動頻譜如圖7所示。結(jié)合頻譜所示的的主要頻率組成，就上述4種可能引發(fā)設(shè)備振動值出現(xiàn)周期性波動的原因展開分析。

圖6 驅(qū)動側(cè)軸承振動頻譜

圖7 止推側(cè)軸承振動頻譜

4.1 碰摩

碰摩是機(jī)泵運(yùn)行中的常見故障，它可能發(fā)生在機(jī)泵的任何位置。海洋石油富島有限公司化肥一期所用的高壓液氨泵口環(huán)間隙標(biāo)準(zhǔn)值為0.40～0.80 mm，該轉(zhuǎn)子在安裝過程中的最小間隙為0.32 mm，對應(yīng)軸徑處跳動為0.13 mm，因此在轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中極可能產(chǎn)生碰摩，從而產(chǎn)生熱彎曲。在碰摩產(chǎn)生后振動趨勢和相位呈現(xiàn)周期性波動是碰摩帶來的一種常見現(xiàn)象，但由于摩擦是一個非線性響應(yīng)的過程，所以相位和幅值的變化不是重復(fù)的，導(dǎo)致振動幅值和相位的重復(fù)性較差。但是碰摩的另外一個特征是其產(chǎn)生的頻率也是精確的1×。根據(jù)現(xiàn)場所測振動頻譜來看，高壓氨泵驅(qū)動側(cè)主要頻率為1×、4×和5×，止推側(cè)頻率為1×，無法排除碰摩的影響因素。進(jìn)一步分析需待機(jī)泵解體檢修時檢查口環(huán)及軸承磨損狀況。

4.2 油膜失穩(wěn)

油膜失穩(wěn)是轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的一種自激振蕩，可以分為油膜渦動和油膜振蕩兩種形式。由于使用滑動軸承的轉(zhuǎn)子中存在因偏心質(zhì)量導(dǎo)致的不平衡力，加上軸承本身交叉剛度系數(shù)限制，使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中出現(xiàn)了失穩(wěn)因素。當(dāng)油膜失穩(wěn)發(fā)生時，可能導(dǎo)致振動值出現(xiàn)周期性波動的現(xiàn)象。

當(dāng)轉(zhuǎn)子處于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)且負(fù)載保持不變，在受到外部力量干擾時，轉(zhuǎn)子軸頸在彈性變形力的作用下仍然能夠回到原來的平衡位置。隨著轉(zhuǎn)速的升高，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，彈性變形力將無法抵抗外部干擾力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸頸無法再回到初始位置，其中心將會沿這一個近似橢圓的封閉軌跡運(yùn)動，繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，運(yùn)動軌跡則會成為一個極不規(guī)則的擴(kuò)散曲線，這時便形成油膜的失穩(wěn)[1]。

高壓液氨泵轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為7500 r/min，而轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速＞9000 r/min，不滿足形成油膜振蕩的條件，因此可以排除油膜振蕩的因素，但是滿足油膜渦動的形成條件。油膜渦動的一個重要特征是其頻率為0.5×，與現(xiàn)場所測量的頻譜不符，因此可以排除油膜渦動的存在。

4.3 莫頓效應(yīng)

轉(zhuǎn)子的運(yùn)動可以分解為自身轉(zhuǎn)動和繞靜態(tài)平衡點(diǎn)的渦動，相比較其他點(diǎn)而言，轉(zhuǎn)子軸頸表面的最高點(diǎn)距離軸承內(nèi)表面最近，這個點(diǎn)稱為高點(diǎn)。高點(diǎn)在每個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)都會以最小高度經(jīng)過油膜的最薄處，而在此處的產(chǎn)生的黏性剪切力最大，油膜的黏滯能量也最大，導(dǎo)致這個點(diǎn)的溫度比其他點(diǎn)的溫度都高，所以將這個點(diǎn)稱作“熱點(diǎn)”。熱點(diǎn)對應(yīng)的另外一端則始終是距離軸承內(nèi)表面最遠(yuǎn)的點(diǎn)，此處的溫度相對而言比較低，由于存在溫度差，所以在軸頸處會產(chǎn)生一個熱量梯度，進(jìn)而產(chǎn)生剪切力。當(dāng)剪切應(yīng)力不夠大時，轉(zhuǎn)子由于本身的剛性，不會受到影響；但當(dāng)剪切應(yīng)力增長到一定程度時，轉(zhuǎn)子開始產(chǎn)生彎曲變形，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是1×振動幅值增加。在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，當(dāng)由熱變形產(chǎn)生的彎曲不平衡質(zhì)量和轉(zhuǎn)子原本就存在的不平衡質(zhì)量進(jìn)行矢量合成，使得轉(zhuǎn)子的高點(diǎn)位置發(fā)生改變，進(jìn)一步導(dǎo)致振動幅值和相位發(fā)生改變，最后使得熱點(diǎn)的位置發(fā)生改變，形成新的彎曲點(diǎn)，同時產(chǎn)生新的臨時不平衡質(zhì)量，和原始的不平衡質(zhì)量再次進(jìn)行矢量合成，又使得高點(diǎn)發(fā)生進(jìn)一步變化，直至高點(diǎn)轉(zhuǎn)動1周，然后開始進(jìn)行新的循環(huán)[2]。莫頓效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理如圖8所示。

圖8 莫頓效應(yīng)原理

莫頓效應(yīng)的表現(xiàn)特征如下：

（1）周期性的有限的振動幅值和相位的變化。

（2）通過改變潤滑油的溫度可以使得振動的周期和幅值出現(xiàn)明顯的變化。現(xiàn)場處理措施：①調(diào)整徑向軸承間隙，將驅(qū)動端軸承間隙減小至設(shè)計值下限。發(fā)現(xiàn)機(jī)泵運(yùn)行振動值和波動周期都發(fā)生了變化；②減小調(diào)整油冷器循環(huán)水量，使油溫上下變化1℃，發(fā)現(xiàn)機(jī)泵運(yùn)行振動值和波動周期也都發(fā)生不同程度的變化。由此說明驅(qū)動端軸承振動周期性波動的現(xiàn)象明顯受到油溫變化的影響。因此，無法排除莫頓效應(yīng)的影響因素。

4.4 存在不平衡量

根據(jù)現(xiàn)場所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，也存在轉(zhuǎn)子動平衡不佳的可能。該轉(zhuǎn)子在上次修復(fù)中采用皮帶傳動的方式進(jìn)行動平衡試驗，精度等級達(dá)到G1.0。皮帶傳動方式如圖9所示。

圖9 皮帶傳動示意

由于該高壓液氨泵轉(zhuǎn)子軸徑＜60 mm，長度達(dá)到2780 mm，為典型的細(xì)長軸轉(zhuǎn)子。在“干態(tài)”條件下，該轉(zhuǎn)子為柔性轉(zhuǎn)子。特別在使用時間超過20年，剛度下降的情況下，采用皮帶傳動低速動平衡方式會造成動平衡過程中轉(zhuǎn)子的彎曲，而在實際“濕態(tài)”運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子成為剛性轉(zhuǎn)子。因此，在試驗臺上獲得的動平衡數(shù)據(jù)與實際運(yùn)行中的動平衡數(shù)據(jù)可能會存在較大偏差。同時，結(jié)合具體情況來看，該轉(zhuǎn)子在上一次動平衡校正的過程中，存在對葉輪去重過多的問題，因此也存在動平衡不佳的可能性，需要在解體檢修中對轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。同時對備用轉(zhuǎn)子的修復(fù)方案進(jìn)行調(diào)整，改變轉(zhuǎn)子動平衡方式，采用加工專用靠背輪直接連接的方式進(jìn)行動平衡校正，連接方式如圖10所示。校正后的轉(zhuǎn)子動平衡精度等級同樣達(dá)到G1.0。

圖10 靠背輪直連傳動示意

高壓液氨泵更換轉(zhuǎn)子投入運(yùn)行后，振動值大幅度下降，說明轉(zhuǎn)子存在不平衡量是導(dǎo)致振動值出現(xiàn)周期性波動的原因之一。

4 停機(jī)檢查情況

因高壓氨泵振動值緩慢增長和周期性波動，驅(qū)動側(cè)振動值最高VI41252D已上漲至70μm，同時驅(qū)動側(cè)干氣密封出現(xiàn)泄漏，因此對高壓氨泵停機(jī)檢修。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)：

（1）盤車輕松無卡澀。

（2）聯(lián)軸節(jié)組件未發(fā)現(xiàn)彈性膜片有破損或變形。

（3）對中數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。

（4）徑向軸承下瓦塊存在輕微的磨痕，軸承瓦塊厚度未發(fā)生變化。

（5）平衡轂套與軸套配合處、段間套處，一段3處葉輪口環(huán)處有磨痕。

（6）轉(zhuǎn)子各部位跳動值與使用前相比明顯增大，均已經(jīng)超過設(shè)計值0.1 mm，但軸承處軸頸跳動值通過打表測得數(shù)據(jù)為0，據(jù)此可以判斷沒有莫頓效應(yīng)存在，但轉(zhuǎn)子存在明顯的彎曲變形。

5 處理措施

現(xiàn)場采用更換轉(zhuǎn)子組件的方式進(jìn)行處理，在動平衡校正精度同樣為G1.0的條件下，更換轉(zhuǎn)子后機(jī)泵運(yùn)行振動值明顯降低，且保持平穩(wěn)，振動值周期性波動現(xiàn)象消失。驅(qū)動側(cè)振動值：VI41252C：13.0μm，VI41252D：26.9μm；止推側(cè)振動值：VI41251C：11.2μm，VI41251D：5.9μm。目前，此臺高壓氨泵運(yùn)行1年，機(jī)泵參數(shù)保持穩(wěn)定。

6 結(jié)論

（1）引發(fā)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動值出現(xiàn)周期性波動的因素很多，有條件的情況下可以通過頻譜分析的方式進(jìn)行故障排除，此外也可以通過改變轉(zhuǎn)子潤滑油溫、觀察振動波動情況的變化來進(jìn)行故障診斷。例如：碰摩和莫頓效應(yīng)引發(fā)的振動值周期性波動現(xiàn)象的原理和表現(xiàn)均有不少相似之處?？梢苑治銎鋬?nèi)在原理，結(jié)合表征現(xiàn)象和頻譜對其進(jìn)行區(qū)分：①碰摩是接觸性的熱彎曲，而莫頓效應(yīng)是非接觸性的，可以在機(jī)泵解體檢修時候觀察磨損情況，據(jù)此進(jìn)行辨別；②如果機(jī)泵裝有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以通過頻譜圖中的極坐標(biāo)圖譜來進(jìn)行區(qū)分。由于碰摩的產(chǎn)生是非線性的，導(dǎo)致其引發(fā)的振動幅值、相位在圖譜上呈現(xiàn)重復(fù)性差的特征，而頻譜圖顯示為比較離散的圓環(huán)。相反，莫頓效應(yīng)由于線性較好，在極坐標(biāo)圖譜中顯示為重復(fù)性較好的圓環(huán)。

（2）對于此類細(xì)長軸轉(zhuǎn)子，在“干態(tài)”和“濕態(tài)”條件下，轉(zhuǎn)子的性能會有極大的區(qū)別，因此在低速動平衡的時候，優(yōu)先采用靠背輪直連的方式，可以消除轉(zhuǎn)子彎曲變形來帶的干擾，獲得更加真實的動平衡校正結(jié)果，以確保轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的動平衡狀態(tài)完好。