MD155-30×8離心泵故障原因分析及對策

張 文

（神華神東煤炭集團大柳塔煤礦 陜西榆林）

一、概述

大柳塔煤礦活雞兔井，井下供水系統配有4臺多級離心泵，型號MD155-30×8，流量155 m3/h，揚程240 m，配套電機為變頻電機，型號YBBP315L-4，功率185 kW，電壓660 V。其中2臺24 h連續運行，1臺備用，1臺檢修。該泵于2012年8月底改造完畢開始試運行，投入運行1年，離心泵故障頻繁，不能穩定運行。發生的故障包括泵軸軸向竄量大，供水設備及管路振動以及導致混凝土基礎地腳螺栓松動并且發生2次斷軸事故。生產和檢修工作非常被動，經過不斷分析總結，找到消除多級離心泵故障的對策，徹底改變了設備運行狀況。

二、故障原因分析

1.多級離心泵軸向竄量大的原因分析

（1）機械加工精度差及總裝誤差，造成泵軸竄動量過大。由于在采購管理環節的技術標書中，未能夠詳細列出零件和整個機組的各種技術要求，致使在加工和總裝過程中出現精度差，整機組裝過程中未進行嚴格檢測與檢驗，出現泵軸軸向竄量大。例如，平衡盤及平衡環接觸面及泵體密封面的加工精度不夠等。

（2）軸向力平衡機構設計不合理。多級離心泵的平衡盤在工作時自動改變平衡盤與平衡環之間的軸向間隙，從而改變平衡盤前后兩側的壓差，產生一個與軸向力方向相反的作用力來平衡軸向力。在使用過程中轉軸竄動的慣性作用和瞬態離心泵工況的波動，運轉的轉子不會靜止在某一軸向平衡位置。平衡盤始終處在竄動的狀態。實際使用時，往往由于泵的軸向力平衡機構設計的不合理，軸向力沒有被平衡，這種情況下運行，會加劇平衡盤與平衡環的摩擦磨損，致使轉子竄動量進一步加大。轉子的撓度大，也會使平衡盤與平衡環接觸面之間受力不均勻，造成平衡效果不好，從而造成離心泵軸向竄量急劇增大。

（3）多級離心泵使用軸承選型不合理。離心泵兩端軸承都選用滑動圓柱滾子軸承。在多級泵頻繁啟動、運轉及停車過程中，因軸向力過大，會造成轉泵軸向竄量大。由于竄量逐漸大，軸承的滾動體與內外圈之間存在一定的偏移，導致滾動體接觸面小，單位接觸面積壓力增加，潤滑油膜也將受到破壞，在軸承內部出現干磨擦現象。使潤滑油脂受熱汽化或炭化結焦，最終使得軸承在高溫下燒損。在這種情況下使用，有時甚至出現軸承與軸燒結在一起，致使多級離心泵部分零部件嚴重損壞的現象。

2.多級離心泵振動的原因分析

（1）轉子不平衡。當轉子的質心偏離回轉軸線時，便會產生偏心質量。高速轉動下的轉子便會產生方向周期變化的離心力，該力作用在支撐軸承上，便誘發了軸承部位的振動。例如葉輪損壞或堵塞。

（2）機組同軸度調整不良產生振動。一般情況下電機和離心泵通過聯軸器實現動力傳遞。裝配時電機和泵軸的同軸度有嚴格的調整精度要求。在機組運行狀態下，同軸度超差會破壞聯軸器的平衡狀態，為補償這種偏差，聯軸器的撓性原件便會產生交變協調變形，從而產生交變的協調內力，此力作用在泵和電機上，便引起機組振動。

（3）軸承磨損超限引發振動。由于軸承磨損造成內外套間隙變大，轉子部件偏心運行，產生振動。這種情況多集中于立式泵。對于滑動軸承，如果軸瓦頂部間隙過小或瓦蓋緊力過大，都會造成軸與上瓦的部分接觸，接觸點的摩擦力作用于轉子旋轉的相反方向上，迫使轉子激烈得振動旋轉。這種振動是一種自激振動，與轉速無關。如果軸瓦兩側間隙不合適，則無法形成工作油膜，造成干摩擦，也會引起自激振動。

（4）共振。共振是機械振動的一種特殊情況，即當機組的固有頻率等于策動力頻率時，機組產生強烈振動。機組共振時，理論上其振幅無限放大。但是轉動機械實際運行時，由于水力阻尼、材料阻尼等因素的存在，共振振幅只能達到一個有限值。共振存在兩種形式：轉子部件固有頻率接近運行轉數時產生的共振，稱之為轉子共振；支撐基礎的固有頻率接近運行轉數時產生的共振，稱之為基礎共振。轉子共振頻率與轉子的平衡狀態無關，但偏心質量的存在會加劇振動幅值。針對多級離心泵現場實際情況來看，多級離心泵的基礎底座及地腳螺栓澆筑在混凝土中。設備本身及外圍設備運行時，各種振動通過基座相互影響，情況非常復雜。在某些情況下，可能導致基礎底座地腳螺栓松動，造成設備振動加劇，甚至引發設備和管路出現共振。

3.斷軸原因分析

（1）泵軸設計不合理。從2次的斷軸發現，每次斷軸的部位完全一致，均在靠多級離心泵軸伸端第一個軸肩根部，且斷軸邊緣有清晰的疲勞裂紋臺階，斷面無任何舊裂紋痕跡。首先對泵軸本身結構進行分析，實際結果表明，2根斷軸的結構設計均不合理，都在離心泵軸伸端的軸肩部位斷裂，軸肩與軸頸之間被加工為直角，無過渡圓角，且軸徑與軸肩連接根部有一退刀槽。由材料力學知識可知，這一結構容易使軸徑變化處受力后產生應力集中。在離心泵高速運轉時，泵軸在扭矩和彎矩作用下，其剪應力在軸肩根部產生應力集中，在長期運行過程中，容易在應力集中處萌生裂紋，隨著裂紋的發展最終導致軸的斷裂。

（2）機組軸心不重合。在現場檢測中還發現，4臺泵軸心與電機軸心不重合（即兩軸不同心），尤其1#、2#機組較為嚴重。導致這一現象的主要原因是焊接的基礎底座嚴重變形，泵體入水口的管路澆筑于防水的混凝土墻壁中，致使無法通過增加和減少墊片來調整中心高度，導致離心泵無法調平找正。給離心泵調平找正工作帶來很大困難。正是由于機組兩軸心不重合，就產生了兩方面的影響。一方面，當離心泵與電機以2900 r/min的高速運轉時，因兩軸不同心導致其扭矩加大、軸承損壞加快。當扭矩超過軸的極限允許值或軸承損壞后發現不及時，泵軸就會在最薄弱環節折斷。另一方面，當高速運轉時，泵體因兩軸不同心而產生振動，其振動位移值平均為0.32 mm，遠遠超過最大允許值。這使泵軸受到較大的交變應力作用，于是就增大了泵軸疲勞破壞的可能性；同時，泵體的振動也相應地縮短了軸承的使用壽命。尤其是在兩軸不同心和應力集中的共同作用下，更進一步地加快了軸的斷裂。

三、對策

1.采購管理過程中應詳細列出零件的質量和技術要求

只有使用質量合格的零部件，才能保證多級離心泵轉軸組裝后滿足各項技術要求的規定，如零件加工精度、靜平衡允差，軸的圓柱度、直線度，軸徑徑向圓跳動、聯軸器端面間隙及平行度，基座縱橫向水平度、離心泵與電機同軸度等。另外在采購時，離心泵基礎底座盡量采用一體的鑄鐵或鑄鋼件，不采購焊接基礎底座，原因是其強度低、易變形、故障率高且維修困難。

2.合理使用、檢查與維修平衡裝置

合理地使用軸向力的平衡裝置，消除軸向竄量。為了滿足這一要求，比較理想的作法有：平衡盤與軸向止推軸承配合使用，由平衡盤來平衡軸向力，由軸向止推軸承對泵軸進行軸向限位。另外，為了增加平衡盤與平衡環的耐磨性，對材料的選擇與熱處理都要有嚴格要求，以保證工作表面有足夠的硬度；加強檢查，決不能使正在使用中的平衡盤右側相同的回水管堵死，一旦堵死，平衡盤兩邊就不存在壓力差，平衡盤就失去平衡軸向力的作用，造成平衡盤與平衡環直接摩擦。在日常維護中，要注意疏通平衡盤回水管路，檢查平衡盤與平衡環的磨損情況，若磨損嚴重，要及時更換。

3.調整墊圈厚度縮小竄量

多級離心泵安裝過程中，在未安裝平衡盤前，原始軸向竄量很大。有時高達5～10 mm，這與設計要求的0.5 mm相差很大。實踐證明，利用調整墊圈減少離心泵軸向竄動量非常有效。調整墊圈的位置一般選在平衡盤尾部與葉輪之間，調整墊圈的外徑與內徑應與平衡盤的尾套尺寸一致，厚度視具體情況而定。方法是拆下平衡盤，把平衡盤尾部的調整墊片去除一部分，若無可以調整的墊片，可以將平衡盤的尾部車去一部分，去除部分的厚度大體上相當于平衡盤與平衡環磨去厚度之和。

4.對機組基礎底座補焊加固重新澆注混凝土基礎

由于原機組的基礎底座為型材焊接，并且焊接質量差，導致基礎底座強度低、變形嚴重，引起設備共振，導致地腳螺栓松動。根據現場實際情況，將振動嚴重的1#、2#機組拆卸，重新開挖混凝土基礎坑，對基礎底座進行焊接加固并安裝。安裝工程中重新梳理安裝流程，避免離心泵入口法蘭承受外部拉應力。重新澆注混凝土基礎并預留地腳螺栓2次澆注坑；將離心泵和電機放置于加固完畢的基礎底座上，對其進行調平找正，調整數據在技術文件規定值之內；第一次澆注的基礎凝固后，將機組放置于基礎之上，利用墊鐵粗調機組，連接離心泵入口和出口管路，但不緊固法蘭螺栓，然后進行細致調整，滿足技術要求后，緊固法蘭螺栓，安裝機組地腳螺栓，進行2次混凝土澆注。為了避免發生振動，必須等2次澆注凝固后緊固地腳螺栓1次，機組正常運行24 h后再緊固1次。

5.優化泵軸結構

對原有泵軸的結構進行優化，將原來泵軸上軸肩與軸頸之間的直角及退刀槽取消，并改直角連接為圓角過渡，圓弧半徑取3 mm，從而徹底消除了泵軸在該位置的應力集中現象。

6.其他方法

（1）檢修工加強日常維護保養，對設備要進行預防性檢修和保養，并嚴格執行周、月和季檢制度，檢查中發現磨損超限的零部件要及時更換。

（2）崗位工要在巡回檢查中嚴格按照規定和制度，進行認真巡查，發現異常及時處理或匯報。

采用上述方法后，多級離心泵始終在最佳狀態運行，確保了多級離心泵的安全、穩定、長周期運行。礦井供排水系統的可靠系數提高，為礦井安全生產奠定了堅實的基礎。