海水淡化一級RO升壓泵振動原因分析及處理

范　賞，李永戰，孔令梅，馬現奇

(1.三門核電有限公司，浙江 三門縣　317109；2.國核工程有限公司，浙江 三門縣　317109)

某電廠海水淡化系統的功能是將海水經過預處理和一級反滲透脫鹽處理后，向除鹽水生產系統供應符合質量要求的淡水。該電廠海水淡化系統一級反滲透高壓泵在首次帶載試驗時發生振動超標，高出廠家允許值較多。現場通過重新對中、增加入口管道支撐、虛角處理、基座焊接加強筋等一系列措施，最終使泵振動合格。該泵振動問題嚴重限制了現場調試工作的進展，因此對泵振動問題進行深入分析。

1　海水淡化一級反滲透高壓泵介紹、測點布置及振動標準

1.1　海水淡化一級反滲透高壓泵介紹

海水淡化系統一級反滲透高壓泵采用美國進口品牌的8級離心泵，額定流量：394 m3/h，額定揚程：3.7 MPa，額定轉速：2 802 r/min；電機是國產配套變頻電機；單級泵通過泵軸串聯并用螺栓固定，每一級包含一個葉輪推動水流離心提升壓力，可以通過增加泵級數或提高泵軸速提高壓力。泵與電機使用軟聯接泵軸可以在聯軸器內浮動消除泵軸對電機軸承的推力。進出水口卡口聯接設計，使用剛性連接系統管道。高壓泵采用變頻控制，啟動時頻率緩慢升高，流量逐漸增大，以避免對反滲透膜組件的沖擊。整體結構見圖1和圖2。

圖1　高壓泵整體結構圖

圖2　高壓泵整體結構圖

1.2　測點布置

采用便攜式測振儀對海水淡化系統一級反滲透高壓泵進行振動監測，測量點位置如圖3所示。

圖3　一級反滲透高壓泵振動測點布置圖

1.3　振動標準

根據振動驗收標準按照GB/T 29513—2013《泵的振動測量與評價方法》[1]，該泵屬于三類泵B等級，振動烈度合格標準為小于4.5 mm/s，試驗停車標準上限值為7.1 mm/s。

2　海水淡化系統一級反滲透高壓泵測振試驗情況

2015年11月17日，一級反滲透升壓泵B開始升頻試驗，升頻之前進行了手動盤泵，無卡澀。在升壓至15 Hz時，泵體進口垂直方向振動值達9.5 mm/s，2 min后，振動值降為1.8 mm/s，再升至20 Hz、25 Hz，泵體進口垂直于泵軸水平方向振動值趨勢仍為先大后小(合格)，待升至30 Hz時，振動值高達25.5 mm/s，運行0.5 min后，仍不見減小，立即進行降頻，并停運一級反滲透升壓泵B。

2015年11月18日，把支撐固定螺栓緊固后，啟動B泵。B泵電機頻率升到32 Hz后，發現泵的進口垂直于泵軸的水平方向處振動值為13.5 mm/s，超過要求值4.5 mm/s，其他兩個方向正常。立即降頻停泵。B泵運行頻率與振動最大值如圖4所示。

通過使用振動頻譜分析儀對振動頻譜的分析，確認設備振動屬于強迫振動。為進一步處理該泵振動問題，需要對振動原因進行深入分析，然后采取針對性措施去處理。

圖4　B泵運行頻率與振動值關系圖

3　振動原因分析

按照引起機械振動的原因劃分，機組軸系的彎曲(水平方向)振動基本上可以分為強迫振動和自激振動兩大類[2]。

振動系統在周期性的外力作用下，其所發生的振動稱為受迫振動，也稱強迫振動，同時若其頻譜中1X頻率(1X頻率是指設備轉速對應頻率)占80%以上振幅，則可判斷該振動模型屬于普通強迫振動。若某泵轉速為1 480 r/min，則其1X頻率為1 480/60=24.7 Hz。

在線性系統中，部件呈現的振幅與作用在該部件上的激振力成正比，與它的動剛度成反比，即：

A=P/Kd

(1)

Kd=Kc/μ

(2)

式中A——振幅；P——激振力；Kd——支撐動剛度；Kc——部件靜剛度；μ——動態放大系數。

通過式(1)可知，激振力P過大或支撐動剛度不足是產生過大普通強迫振動振幅的原因。通過式(2)可知，支撐動剛度與其靜剛度成正比。若要減小普通強迫振動的振幅，可以通過減小激振力和增大動剛度兩個方面著手。

支撐動剛度不足分為連接剛度不足和結構剛度不足。連接剛度不足一般考慮設備的連接部位是否緊密緊固，如基礎臺板、泵基座基礎、電機機架等(對應于立式泵)。檢查部件連接緊密程度傳統的方法有檢查螺栓預緊力、連接部件之間的間隙等方法[3]。結構剛度主要由外形、壁厚、材料和支撐基礎的靜剛度決定。從目前的消振方法來看，增加結構剛度是十分困難的，一般只能從降低激振力入手。

對于激振力而言，能夠產生1X振動頻率的激振力主要有3種。

(1)轉子不平衡是由于轉子質量中心與旋轉中心存在一定程度的偏心距。轉子旋轉時，表現為一個與轉動頻率同步的離心力矢量，從而激發轉子的振動。轉子不平衡受材料的質量分布、加工誤差、裝配因素及運行中的沖蝕和容積等因素影響。

(2)轉子不對中分為軸承不對中和軸系不對中(聯軸器不對中)。軸承不對中指軸頸在軸承中偏斜，軸承不對中本身不會產生振動，它主要影響油膜性能和阻尼。在轉子不平衡情況下，由于軸承不對中對不平衡力的反作用，會出現1X頻譜。軸系不對中指泵軸和電機軸通過聯軸器連接時，兩個軸不在同一直線上，含平行不對中，角度不對中，綜合不對中。

(3)轉子彎曲分為轉子永久性彎曲和臨時性彎曲。永久性彎曲是指轉子軸呈弓形彎曲后無法恢復；臨時性彎曲是指可恢復的彎曲。這兩種故障是不同的故障，但其故障機理相同，都與轉子質量偏心類似，因而都會產生與質量偏心類似的旋轉矢量激振力。與質量偏心不同之處在于軸彎曲會使軸兩端產生錐型運動，因而在軸向還會產生較大的工頻振動。

表1　升壓泵B各點振動值

備注：X：垂直于泵軸水平方向；Y：泵軸方向；Z：垂直于泵軸豎直方向。

4　振動處理

根據振動分析的原因，分別采取增加管道支撐、泵水平度調整、基座增加加強筋等措施進行處理。

4.1　增加管道支撐

考慮到現場實際管道布置，認為造成振動的原因可能是泵的進口未安裝支架，管道重力集中在進口所致，GB 50275—2010《風機、壓縮機、泵安裝工程施工及驗收規范》[4]4.1.5章節規定：泵的進出口管道應有各自的支架，泵不得直接承受管道等的質量。現場查看反滲透高壓泵入口管道沒有支架，導致泵承受一定的管道重量。2015年12月24日，完成升壓泵B入口管道支架制作(如圖5所示)。對一級反滲透升壓泵B進行升頻帶載試驗，發現泵頻率升至32 Hz時，振動值為5.1 mm/s(>4.5 mm/s)，超標；繼續升至34 Hz時，泵進口垂直于泵軸水平方向振動值為9.9 mm/s，隨后立即將泵停運，升壓泵B振動值仍無法滿足要求，振動值具體數據如表1所示。

4.2　泵水平度調整

根據表1數據可以看出，對高壓泵進口管道增加支撐后泵振動值有所減小但依舊超標，再次檢查高壓泵泵進出口與管道安裝的情況發現，泵的入口與管道卡箍連接處，存在較大應力和錯口，如圖6所示。

圖6　泵入口管道錯口

松開進出口管道，進行調整進出口管道錯口，對一級反滲透升壓泵B進行升頻帶載試驗。試驗發現泵頻率升至35 Hz時，振動值達到了4.8 mm/s(>4.5 mm/s)，繼續升至36 Hz時，泵進口垂直于泵軸水平方向振動值為9.1 mm/s，隨后立即將泵停運，升壓泵B振動值仍無法滿足要求，振動值具體數據見表2。

表2　調整管道錯口后啟動泵各級葉輪在不同頻率下振動最大值

圖7　泵基座增加加強筋前后對照

4.3　泵基座焊接支撐加強筋

由于該泵屬于多級泵，泵身長約2 m，泵體支撐依靠6根支撐柱來固定，每根支撐柱約0.5 m，相當于該泵放在一個基礎不牢固的平面上，在泵高轉速情況下會造成泵的左右搖擺，從而造成泵振動值的超標。基于此原因，在泵基座增加加強筋，已增加泵基礎的牢固性，泵基座增加加強筋見圖7。通過增加基礎剛度后，再次啟動高壓泵，振動值下降并滿足廠家驗收標準(試驗停車標準上限值為7.1 mm/s)，具體振動值見表3。

表3　泵基座增加加強筋后泵各級葉輪在不同頻率下振動最大值　mm/s

備注：X：垂直于泵軸水平方向； Z：垂直于泵軸豎直方向。

5　結語

對海水淡化一級反滲透多級泵的振動問題分析和處理，通過對振動原因分析，借助強迫振動的理論，主要從激振力和支撐動剛度兩方面進行逐一消除，最終處理了泵的振動問題。對于多級泵而言，其安裝時進口管道的布置及水平度需嚴格按照標準進行把控；多級泵設備基座結構剛度需滿足強度要求。該多級泵振動超標問題的處理方法可為后續類似設備問題的處理提供參考處理思路。

參考文獻：

[1]泵的振動測量與評價方法，GB/T 29513—2013 [S].

[2]張學延. 汽輪發電機組振動診斷[M]. 北京:中國電力出版社, 2008.

[3]施維新, 石靜波. 汽輪發電機組振動及事故[M]. 北京:中國電力出版社, 2008.

[4]原中華人民共和國機械工業部. 中華人民共和國國家標準 GB 50275—1998:壓縮機、風機、泵安裝工程施工及驗收規范[M]. 北京:中國計劃出版社, 1998.