低壓輸送泵異聲故障分析

高維剛，杜 鵬，俞中圍，凌青飛

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江寧波 315800）

0 引言

某液化天然氣有限公司LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）接收站，一期裝置有3 個16 萬立方米LNG 儲罐，共有低壓輸送泵7 臺，泵為離心式潛液泵[1-2]，由美國JC Carter公司生產(chǎn)。通過鋼絲繩、懸臂吊將泵垂直放置于泵井儲罐底部，泵井即為泵的排出管線。動力電纜和儀表線通過線夾固定在鋼絲繩上。泵體采用多節(jié)垂直剖分結(jié)構(gòu)，通過精加工的止口來保證同軸度。電機(jī)轉(zhuǎn)子和泵軸均為空心結(jié)構(gòu)，泵軸貫穿于電機(jī)轉(zhuǎn)子，并通過花鍵傳遞扭矩，泵軸、平衡鼓、滾動軸承通過鎖緊螺母與電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖緊在一起。泵軸為空心光軸葉輪采用無鍵連接，通過帶錐度的漲緊套固定于泵軸上。電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端安裝2 個JC Carter 公司專用滾動軸承NSK6314 實現(xiàn)定位。泵軸通過多個軸襯套進(jìn)行徑向定位，泵的軸向力通過平衡鼓、空心泵軸（平衡管）來實現(xiàn)平衡[3-4]。泵體電機(jī)側(cè)90°方向安裝2 個加速度探頭。低壓輸送泵結(jié)構(gòu)見圖1，主要性能參數(shù)見表1。

圖1 低壓輸送泵結(jié)構(gòu)組成

表1 低壓輸送泵主要性能參數(shù)

1 低壓輸送泵故障現(xiàn)象

2017 年10 月8 日，低壓輸送泵位號P-0201E 出現(xiàn)振動大故障，其間該泵累計運(yùn)行11 573.39 h。解體大修更換磨損的軸承和軸承襯套，軸承襯套在無原廠備件（材料ASTM B584 C93200）的情況下，采用UNS S21800 材料替代，2017 年10 月19 日檢修完成進(jìn)行試車，運(yùn)轉(zhuǎn)期間運(yùn)行參數(shù)正常并投入使用。2018 年4 月20 日，該泵運(yùn)行中噪聲逐漸增大，為明顯連續(xù)高頻噪聲，期間壓力、流量等工藝參數(shù)和電機(jī)各項指標(biāo)檢測均未發(fā)生異常，頻譜分析振動有上漲趨勢，距上一次檢修該泵累計運(yùn)行3000 h，初步判斷為軸承故障，決定進(jìn)行解體檢修。

2 泵拆解檢測情況

（1）葉輪、葉輪口環(huán)完好，未見異常磨損，口環(huán)間隙符合技術(shù)要求[5-6]。

（2）誘導(dǎo)輪軸襯套磨損，間隙超差，其他軸襯套輕微磨損。

（3）平衡鼓襯套未見異常磨損，泵軸跳動檢測數(shù)值均在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

（4）頂部滾動軸承內(nèi)圈完好轉(zhuǎn)動順暢，外圈嚴(yán)重磨損，并出現(xiàn)明顯溝槽（圖2）。

圖2 頂部軸承外圈磨損

（5）泵頂部軸承襯套磨損嚴(yán)重，間隙超標(biāo)，并有明顯溝槽（圖3）。（6）中部軸承襯套未見異常磨損，配合間隙符合技術(shù)要求[7-8]。

圖3 頂部軸承襯套磨損

（7）中部軸承內(nèi)、外圈完好，轉(zhuǎn)動檢查發(fā)現(xiàn)游隙明顯增大并有卡澀現(xiàn)象，軸承外圈端面有明顯壓痕（圖4）。

圖4 中部軸承

3 問題及原因分析

根據(jù)泵的拆解和上一次檢修情況分析，泵的累積運(yùn)行時間均未達(dá)到軸承的使用壽命25 000 h，而出現(xiàn)軸承過早磨損故障，從泵的設(shè)計原理和2個軸承磨損的不同部位進(jìn)行分析。

3.1 低壓輸送泵結(jié)構(gòu)原理分析

查泵的性能參數(shù)，泵的額定流量430 m3/h，最小流量142 m3/h，按額定流量參數(shù)設(shè)計平衡鼓，泵在額定流量工況時，轉(zhuǎn)子承受最大的向下推力[9]，此時平衡鼓上下形成壓力差，轉(zhuǎn)子向上推力大于葉輪受流體向下的推力，轉(zhuǎn)子向上浮動，由于泵軸采用空心結(jié)構(gòu)，頂部與底部泵入口腔體相通，轉(zhuǎn)子上浮軸與頂部擋板間隙逐漸減小，平衡鼓上部至泵入口流通面積減小，回流到泵入口的流體減少，平衡鼓上下壓差逐漸變小，平衡力小于葉輪向下推力，泵轉(zhuǎn)子整體向下浮動，泵軸與擋板間隙逐漸增大，平衡鼓上下壓差變大，通過空心軸回流到泵入口的流體增加，平衡力大于葉輪向下推力轉(zhuǎn)子向上浮動，再次重復(fù)前面的動作達(dá)到轉(zhuǎn)子平衡的目的。因此泵的軸向力平衡是通過平衡鼓、空心軸（平衡管）、平衡鼓間隙[10]與擋板間隙來實現(xiàn)，這取決于底部軸承壓板間隙和頂部軸擋板間隙值，故頂部軸承外圈與軸承襯套配合采用的是間隙配合，也就是說泵在運(yùn)行和變工況情況下，泵轉(zhuǎn)子都存在一定的軸向竄動量[11-12]，泵的性能曲線見圖5。

圖5 泵的性能曲線

3.2 中部軸承磨損游隙增大分析

中部軸承襯套無磨損與軸承配合間隙符合技術(shù)要求，軸承內(nèi)、外圈無磨損、軸承游隙明顯增大，通過兩個方向上輕轉(zhuǎn)軸承，電機(jī)側(cè)方向轉(zhuǎn)動順暢，泵入口一側(cè)轉(zhuǎn)動明顯有卡澀現(xiàn)象，說明泵入口一側(cè)方向上軸承軌道磨損嚴(yán)重，結(jié)合中部軸承外圈（泵入口側(cè)）端面明顯壓痕，可以看出中部軸承在泵入口方向上承受較大的軸向力，由于6314 軸承為深溝球軸承，深溝球軸承雖然能承受一定的軸向力，但過大軸向力導(dǎo)致軸承液膜破壞、快速磨損、游隙增大和產(chǎn)生高頻噪聲，這與頻譜分析結(jié)果（軸承故障）相符。

3.3 頂部軸承、軸承襯套磨損分析

頂部軸承游隙正常、轉(zhuǎn)動靈活，軸承外圈、軸承襯套磨損嚴(yán)重并出現(xiàn)明顯溝槽，從磨損情況看，軸承外圈和襯套之間產(chǎn)生了金屬粘著現(xiàn)象，在相對滑動中粘著處被破壞，有金屬從襯套表面被拉拽下來，粘著在軸承外圈表面，也就是說軸承和襯套之間出現(xiàn)了粘著磨損，又稱咬合磨損[13]，破壞了軸承與襯套表面粗糙度和配合間隙。

通過以上分析，產(chǎn)生噪聲的主要原因為低壓輸送泵軸承磨損，軸承的過早磨損是由于軸承承受較大的軸向力所致，軸向力增大的主要原因是頂部軸承與襯套間出現(xiàn)了粘著磨損，造成軸承與襯套配合間隙變化，運(yùn)行中轉(zhuǎn)子上浮受阻，泵軸向力平衡被破壞，中部軸承受過大的軸向載荷導(dǎo)致過早磨損、游隙增大，運(yùn)行中產(chǎn)生較大的高頻噪聲。

3.4 產(chǎn)生粘著磨損條件[14]

（1）磨擦副材料性質(zhì)的影響。脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高，相同金屬或冶金相溶性大的材料易發(fā)生摩擦副粘著磨損。

（2）材料的組織結(jié)構(gòu)和表面處理。材料硬度高的金屬比硬度低的抗粘著能力強(qiáng)。

（3）載荷的影響。粘著磨損一般隨法向載荷增加到某一臨界值后而急劇增加。

（4）速度的影響。粘著磨損隨滑動速度的增加而增加。

（5）表面溫度的影響。表面溫度升高潤滑膜失效[15]，使材料硬度下降，摩擦表面容易產(chǎn)生粘著磨損。

3.5 粘著磨損原因分析

由于泵的設(shè)計結(jié)構(gòu)無法改變，低壓輸送泵為LNG 潛液泵在-162 ℃溫度下運(yùn)行，材料表面溫度升高至硬度下降的情況不易發(fā)生，原廠軸承襯套選用ASTM B584 C93200 錫青銅材料[16]滿足脆性材料、材料硬度高條件，避免了產(chǎn)生粘著磨損條件，不易發(fā)生粘著磨損。而替代的軸承襯套材料UNS S21800 需進(jìn)行熱處理來滿足脆性、硬度條件，雖然UNS S21800 材料應(yīng)用在其他低溫泵有較好的業(yè)績，但泵的結(jié)構(gòu)和工作條件存在差異（平衡鼓在軸承附近），啟動泵瞬間軸承與軸承襯套沖擊載荷急劇增加，再加上運(yùn)行中泵的工況變化和頻繁啟停，因此JC CARTER 低壓輸送泵軸承襯套選用UNS S21800 替代，雖然增強(qiáng)了軸承襯套綜合機(jī)械性能，但襯套熱處理控制不當(dāng)易產(chǎn)生粘著磨損，影響泵的使用壽命。

4 解決措施

（1）嚴(yán)格控制材料各項指標(biāo)，避免低溫下產(chǎn)生脆斷、變形等缺陷，所有泵用材料進(jìn)行低溫處理。

（2）襯套材料選用ASTM B584 C93200 或相近材料替代，Cu 含量要接近并嚴(yán)格控制S、P 含量和材料質(zhì)量。

（3）泵組裝前各部配合件要進(jìn)行低溫測試，確保泵在低溫下各配合間隙符合技術(shù)要求[17]。

（4）對于泵體采用止口定位時要認(rèn)真清理毛刺，同時進(jìn)行同軸度檢測，確保止口定位準(zhǔn)確。

（5）安裝過程中嚴(yán)格控制各軸套、襯套配合間隙和安裝過盈量。

（6）軸承安裝檢測軸承游隙[18]滿足低溫下使用要求。表2 為潛液泵常溫安裝數(shù)據(jù)。

表2 潛液泵常溫安裝數(shù)據(jù) mm

5 結(jié)語

JC CARTER 低溫潛液泵軸承在襯套選材上，既要考慮泵體結(jié)構(gòu)、低溫適用性和膨脹系數(shù)、耐磨性、經(jīng)濟(jì)性等[19-20]，同時還要避免產(chǎn)生粘著磨損，在摩擦副的選材上要綜合考慮，軸承襯套材料的變更，能否提高耐磨性和使用壽命有待進(jìn)一步觀察。