基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的旋轉(zhuǎn)噴射泵故障診斷分析與對(duì)策

王得勝，趙柳鑒，洪銘江，陳立軍，張 強(qiáng)

（中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣凈化總廠，重慶 400021）

0 引言

余熱鍋爐給水泵是天然氣凈化廠尾氣處理裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，泵的型式為旋轉(zhuǎn)噴射泵，旋轉(zhuǎn)噴射泵亦被稱為皮托管泵，簡(jiǎn)稱旋噴泵（下同），屬于離心泵的一種。由于旋噴泵和高速泵、往復(fù)泵等都屬于流量小、揚(yáng)程高的低比轉(zhuǎn)速泵，主要運(yùn)用于化工行業(yè)，且在近幾年得以快速發(fā)展[1]。旋噴泵適合小流量、高揚(yáng)程介質(zhì)輸送，在天然氣凈化廠中壓給水系統(tǒng)廣泛使用。旋噴泵采用沖壓滯止增壓原理，顛覆原有流體高壓輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)滯止增壓，液體從入口進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔內(nèi)，在離心力作用下進(jìn)入接收管，通過(guò)接收管將速度能轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)、無(wú)脈動(dòng)的壓力能從出口管排出。旋噴泵主要由主軸、泵體、轉(zhuǎn)子、接收管、泵蓋、機(jī)械密封、進(jìn)出水體等部分組成。旋噴泵中的接收管通過(guò)螺絲固定，是旋噴泵中的關(guān)鍵元件，其結(jié)構(gòu)包括管嘴、直管段和擴(kuò)散段，其獨(dú)特設(shè)計(jì)可提高動(dòng)能轉(zhuǎn)化率，盡可能降低動(dòng)能損失，提高泵的工作效率。

中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣凈化總廠忠縣分廠尾氣處理裝置余熱鍋爐給水泵型式為旋噴泵，具有小流量、高揚(yáng)程、流量—揚(yáng)程曲線平緩等特點(diǎn)。泵結(jié)構(gòu)如圖1 所示，旋噴泵內(nèi)只有兩個(gè)基本部件：一個(gè)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和一個(gè)固定的接收管，泵及其鋼制基座安裝在撬裝基礎(chǔ)上（圖2）。

圖2 余熱鍋爐給水泵安裝現(xiàn)場(chǎng)

余熱鍋爐給水泵、電機(jī)參數(shù)（2020 年10 月安裝投用）：泵型號(hào)：RP4007S-3.63/310，流量：3.63 m3/h，出口壓力：4.0 MPa，電機(jī)型號(hào)：YBBP-200L1-2WF1，功率：15.6 kW，轉(zhuǎn)速：3900 r/min。

2 旋噴泵常見故障

旋噴泵相對(duì)其他離心泵工作壽命更長(zhǎng)，其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)也保證了設(shè)備出現(xiàn)故障的概率較低，但是在實(shí)際使用過(guò)程中同樣存在動(dòng)設(shè)備常見故障，其中常見的故障表現(xiàn)主要為動(dòng)設(shè)備軸承處測(cè)得的振動(dòng)數(shù)值超標(biāo)。

引發(fā)旋噴泵振動(dòng)過(guò)大的主要原因可以從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，一是工藝運(yùn)行方面，二是機(jī)械本身部件方面。

2.1 工藝運(yùn)行

（1）旋噴泵屬于離心泵的一種，在使用過(guò)程中仍然會(huì)受到氣蝕問(wèn)題的影響，尤其是在鍋爐給水系統(tǒng)中使用，泵受介質(zhì)變化的影響較大，當(dāng)鍋爐給水中夾帶蒸汽量較多時(shí)，在泵進(jìn)口處造成壓力不足，低于旋噴泵最小壓力值時(shí)，會(huì)造成旋噴泵的氣蝕。

（2）在鍋爐給水系統(tǒng)中有凝結(jié)水回用時(shí)，設(shè)備、管線保溫產(chǎn)生的凝結(jié)水夾帶雜質(zhì)進(jìn)入給水系統(tǒng)，這些雜質(zhì)主要包括鐵銹，以及可能出現(xiàn)的夾套管破裂隨之而來(lái)的主管介質(zhì)（例如硫磺顆粒等），這些雜質(zhì)顆粒進(jìn)入旋噴泵，高速旋轉(zhuǎn)的噴射泵會(huì)產(chǎn)生明顯的磨損，局部配合間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件受力不均，產(chǎn)生動(dòng)不平衡，導(dǎo)致泵出現(xiàn)振動(dòng)數(shù)值超標(biāo)。

2.2 機(jī)械本身部件

旋噴泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是可能導(dǎo)致泵振動(dòng)數(shù)值超標(biāo)的部件仍然存在，如軸承、轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器等，其中，軸承故障最為常見。一是軸承質(zhì)量差、安裝不到位、潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的軸承運(yùn)行狀態(tài)不佳，進(jìn)而引發(fā)泵的振動(dòng)超標(biāo)，更嚴(yán)重的是，因?yàn)檩S承故障導(dǎo)致的泵振動(dòng)超標(biāo)若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承損壞后與軸抱死，軸承內(nèi)圈與主軸發(fā)生粘連，將導(dǎo)致主軸報(bào)廢。二是轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡導(dǎo)致的振動(dòng)超標(biāo)，這種現(xiàn)象在泵安裝使用的早期并不常見，在泵運(yùn)行3～4 年，或者運(yùn)行環(huán)境較差，不足1～2 年，即有可能出現(xiàn)泵轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡現(xiàn)象。旋噴泵進(jìn)行解體大修時(shí)，一般會(huì)進(jìn)行旋噴泵轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校驗(yàn)。旋噴泵的轉(zhuǎn)子與普通離心泵轉(zhuǎn)子相比更加復(fù)雜，因此，在實(shí)際檢修過(guò)程中，旋噴泵轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)也較為復(fù)雜。三是泵與電機(jī)之間的聯(lián)軸器對(duì)中度差，包括聯(lián)軸器減振圈或者是膜片式聯(lián)軸器破損等問(wèn)題，均會(huì)導(dǎo)致泵與電機(jī)振動(dòng)速度超標(biāo)。

3 頻譜分析

頻譜分析功能指的是安裝在動(dòng)設(shè)備軸承處的振動(dòng)監(jiān)測(cè)探頭在獲取振動(dòng)信息后傳至振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，平臺(tái)將獲得的振動(dòng)壓電信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻譜信號(hào)，即可對(duì)頻譜圖進(jìn)行分析，對(duì)動(dòng)設(shè)備可能存在的潛在故障進(jìn)行診斷，及時(shí)采取措施消除設(shè)備故障。

通過(guò)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)，繼而進(jìn)行故障診斷，查明轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障的主要方法為演繹推理，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)對(duì)每類故障的典型特征進(jìn)行收集分類，形成故障庫(kù)，用現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的設(shè)備故障的具體特征與故障庫(kù)中的典型故障特征進(jìn)行比較、分析，可以采用排除法進(jìn)行篩查，根據(jù)故障的具體振動(dòng)部位、性質(zhì)和頻譜特征做出綜合判斷。

用于振動(dòng)故障判斷的演繹推理方法有正向和反向推理兩種形式，在實(shí)際使用過(guò)程中，兩種形式的具體使用是靈活多變的，有時(shí)單獨(dú)使用，有時(shí)合并使用。

3.1 反向推理診斷分析

反向推理是根據(jù)振動(dòng)頻譜的特征得出導(dǎo)致振動(dòng)異常的原因，是由目標(biāo)結(jié)果到原因的推理。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備測(cè)出的振動(dòng)頻譜特征與典型故障頻譜特征符合時(shí)，推理過(guò)程中只要發(fā)現(xiàn)實(shí)際頻譜特征與典型故障頻譜特征是符合的，即可進(jìn)行判斷確診。比如，知道某特定特有故障會(huì)導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)電源頻率的2 倍頻，那么當(dāng)在電機(jī)上發(fā)現(xiàn)電源頻率的2 倍頻，即可以得出電機(jī)存在故障的結(jié)論。

反向推理的理論要求不高，比較容易被技術(shù)管理人員掌握，在進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障判斷效率較高，應(yīng)用較多，但是對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障類型較多的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行故障診斷時(shí)，存在著故障頻譜疊加的情況，會(huì)給分析人員帶來(lái)較多的干擾，準(zhǔn)確性較低。比如，角度不對(duì)中、不平衡、松動(dòng)等故障都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)頻的1 倍頻振動(dòng)增大，表現(xiàn)出實(shí)際故障和典型頻譜特征無(wú)法一一對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致反向推理無(wú)法得出較為準(zhǔn)確的故障診斷。

3.2 正向推理診斷分析

正向推理需要充分運(yùn)用排除法，對(duì)分析人員的專業(yè)性要求較高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的設(shè)備故障，要明確可能出現(xiàn)的故障，首先縮小故障范圍，然后根據(jù)人員經(jīng)驗(yàn)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障頻譜與引起故障的全部可能原因進(jìn)行比對(duì)，運(yùn)用排除法逐個(gè)篩查頻譜特征，最終診斷結(jié)果限定在最后留下來(lái)的不能排除的故障原因中。同時(shí)，在診斷過(guò)程中，最終的診斷結(jié)果可能有多個(gè)不能排除的原因，這些原因需要現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理人員去進(jìn)行實(shí)地排除。比如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)某結(jié)構(gòu)形式為柔性支撐的多級(jí)離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)較大，且頻率成分主要是1 倍頻時(shí)，通過(guò)振動(dòng)趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸升高，且垂直方向比水平方向增大明顯，說(shuō)明振動(dòng)為定向振動(dòng)，然后通過(guò)相位比較，確認(rèn)水平、垂直相位差接近反相，可能是基礎(chǔ)剛度不足，也有可能是轉(zhuǎn)子不平衡，需要進(jìn)一步分析排除，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)后將診斷結(jié)果縮小為基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)松動(dòng)，從而得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

正向推理在實(shí)際使用過(guò)程中也運(yùn)用了反向推理的思維，兩種思維方式的共同運(yùn)用，可以提高轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障診斷的精準(zhǔn)度。

4 余熱鍋爐給水泵故障案例分析

4.1 問(wèn)題描述

泵運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)手持測(cè)振儀測(cè)得的泵振動(dòng)速度值如表1 所示。表1 中，泵和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平振動(dòng)值均超出標(biāo)準(zhǔn)值（4.5 mm/s），垂直振動(dòng)數(shù)值均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值，與常見的軸承故障導(dǎo)致的軸承處垂直水平振動(dòng)數(shù)值均超標(biāo)的現(xiàn)象不同。

表1 余熱鍋爐給水泵泵及電機(jī)軸承處振動(dòng)值 mm/s

4.2 原因分析

振動(dòng)是影響泵壽命及可靠性的重要因素，泵振動(dòng)情況是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)振動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)及信號(hào)處理方法進(jìn)行了大量研究[2]。該泵出現(xiàn)水平方向振動(dòng)數(shù)值超標(biāo)情況后，對(duì)泵和電機(jī)聯(lián)軸器對(duì)中情況以及軸承運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，對(duì)中偏差為0.03 mm（標(biāo)準(zhǔn)值為≤0.05 mm），軸承運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)異常摩擦聲，排除聯(lián)軸器對(duì)中度差和軸承本身機(jī)械故障。在無(wú)法使用常規(guī)手段進(jìn)行故障診斷后，采用手持頻譜分析儀進(jìn)行頻譜分析，分析結(jié)果見表2，其中，1f 表示1 倍頻，依此類推。

表2 泵、電機(jī)各測(cè)點(diǎn)頻譜分析結(jié)果

從表中數(shù)據(jù)分析得出：①泵驅(qū)動(dòng)端加速度略高，設(shè)備整體呈水平振動(dòng)高、垂直振動(dòng)低的特點(diǎn)；②各點(diǎn)水平方向振動(dòng)均以1 倍頻為主要成分。電機(jī)兩端的水平、垂直方向1 倍頻相位差約為90°，泵驅(qū)動(dòng)端水平、垂直方向1 倍頻相位差約為90°，非驅(qū)動(dòng)端的水平、垂直方向1 倍頻相位差約為0°。

分析原因如下：①?gòu)谋煤碗姍C(jī)僅水平方向振動(dòng)速度存在超標(biāo)現(xiàn)象，且1 倍頻出現(xiàn)明顯的峰值，存在兩種可能故障，一是電機(jī)地腳支撐面不平，或支撐剛度不足、不均，導(dǎo)致電機(jī)與泵水平方向振動(dòng)較高。二是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡差，需進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)；②轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：在上述現(xiàn)象出現(xiàn)后，對(duì)可能存在的動(dòng)平衡故障問(wèn)題進(jìn)行解決。首先單試電機(jī)，電機(jī)振動(dòng)速度正常，排除電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡問(wèn)題。隨即拆除泵轉(zhuǎn)子，進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，最終結(jié)果為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡為G6.3 級(jí)，仍符合廠家技術(shù)規(guī)范要求，排除轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡故障。

4.3 解決措施

由于該旋噴泵轉(zhuǎn)速較高（3900 r/min），同時(shí)安裝在撬裝基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)支撐剛度明顯不足，因此，泵在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)泵和電機(jī)水平方向振動(dòng)偏高的現(xiàn)象。相應(yīng)的處理措施是對(duì)泵基礎(chǔ)進(jìn)行整改。

泵基礎(chǔ)整改后如圖3 所示。整改后，泵端最大水平振動(dòng)數(shù)值由6.96 mm/s 降至2.6 mm/s，電機(jī)端最大水平振動(dòng)數(shù)值由7.10 mm/s降至1.2 mm/s，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求且處于良好狀態(tài)，通過(guò)將撬裝基礎(chǔ)改為混凝土基礎(chǔ)，提高了泵的基座強(qiáng)度，解決了振動(dòng)超標(biāo)故障。

圖3 余熱鍋爐給水泵基礎(chǔ)整改后現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高轉(zhuǎn)速泵的安裝應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)剛度的影響，基礎(chǔ)剛度不足對(duì)泵的影響較大，且具有水平方向振動(dòng)明顯偏高的現(xiàn)象，因此高轉(zhuǎn)速泵不適于安裝在撬裝基礎(chǔ)上，若必須安裝在撬裝基礎(chǔ)上，應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施。