制氯原水升壓泵振動故障分析與處理

王超

摘 ?要：本文針對制氯原水升壓泵運行振動超標異常現象，進行了原因分析并提出處理措施，保障了設備的安全穩定運行，同時為類似結構的泵提供了重要參考。

關鍵詞：振動 ?松動 ?腐蝕 ?軸套偏磨

1 引言

電解海水制次氯酸鈉系統（以下簡稱“制氯系統”）海水原水取自循環水泵房旋轉濾網后2臺100%制氯原水升壓泵（以下簡稱“制氯泵”）升壓至制氯系統進行后續處理。制氯泵型式為立式、多級、單支座液下長軸泵。根據制氯系統不同運行工況，制氯原水用水量也不同，主要有以下3個設計流量：560m?/h（正常運行工況）、420m?/h以及290m?/h。制氯系統入口母管處的壓力要求為0.30～0.40MPa。制氯泵采用變頻控制措施，制氯泵與制氯系統入口處壓力連鎖，根據制氯系統各種不同工況提供所需的流量保證最低潮位時制氯系統入口母管處壓力穩定在0.30MPa。

在調試期間發現制氯泵B振動大，將電機與泵的連接支架由臨時碳鋼更改為永久不銹鋼后，振動故障并未得到解決，因此通過本文來分析振動故障的原因，并提出了改進的措施。

2 振動故障描述

制氯泵B進行帶載試驗時發現振動超標，泵驅動端振動值最大為6.22mm/s，遠超于標準值2.8mm/s，不同頻率下泵驅動端具體振動數值見表2-1。

根據以上數據分析表明水平振動值與頻率成正比關系，即振動隨著轉速的升高而變大，而軸向振動值很小。

3?振動頻譜分析

機器振動故障的發生、發展，都會引起信號頻率結構的變化，并且不同故障所生成的頻率成分之間，交叉疊加。因此，振動信號的幅值分析，尚不能對其振動性質、內在變化、動態行為、故障原因等根本問題作出確定性結論，這些問題的最終，都需要把復雜的時間歷程信號，由時域分析轉換到頻域分析，稱為頻譜分析法。此方法已成為轉動設備振動故障分析診斷的有效工具。

根據實際測量的頻譜圖可以發現振動主要集中在25Hz左右，與制氯泵轉速頻率較為接近，不同頻率下振動頻譜見圖3-1。

不同故障所對應的頻率特征如表3-1，根據表3-1得知轉子不平衡故障的頻率為轉速頻率，而轉速頻率振動特性主要體現在不對中、共振以及松動，下面將針對轉子不平衡、不對中、共振以及松動故障進行逐一分析診斷。

轉子不平衡故障分為轉子質量偏心及轉子部件缺損兩種狀態。轉子質量偏心是由于轉子的制造誤差、裝配誤差、材質不均勻等原因造成，稱此為初始不平衡。由于設備交付前，轉子進行過動平衡試驗且試驗結果滿足要求，所以基本排除初始不平衡。轉子部件缺損是指轉子在運行中由于腐蝕、磨損、介質結垢以及轉子受疲勞應力的作用，使轉子的零部件局部損壞、脫落、碎塊飛出等，造成新的轉子不平衡，發生異常振動^[1]。由于制氯泵泵軸與葉輪的材質均為2205雙相不銹鋼，具有高強度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗海水腐蝕能力，所以也排除轉子部件的缺損。

轉子不對中通常是指相鄰兩軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。如果不對中軸的中心線平行但不重合，叫做平行不對中;如果兩條中心線相交于一點，叫做軸線角度不對中。大多數不對中是平行不對中和軸線角度不對中的組合。由于不對中而增加的旋轉力會對軸承和密封件施加異常的應力，往往導致泵的部件過早損壞和增大能耗。由于制氯泵進行過對中復測，且對中數據是滿足要求的（同軸度≤0.10mm、平行度≤0.10mm），所以排除了因不對中引起的振動高。

共振是指機械系統所受激勵的頻率與該系統的某階固有頻率相接近時，系統振幅顯著增大的現象。兩臺制氯泵A和B是同一家設備廠供貨，且運行條件和環境相同，制氯泵A泵并未出現振動大的現象;而且通過敲擊試驗可以得出其固有頻率與轉動頻率并不在同一區域內，敲擊試驗見圖3-2，因此可以排除由共振而引起的振動大。

機械松動可加劇振動狀態，比只存在不對中或不平衡時的振動更大^[2]，機械松動通常主要是指結構框架松動和基礎松動，此種松動是緊固連接件的螺栓松動、腐蝕或裂紋所致，其破壞力一般比較大，嚴重時會加重設備的不平衡或不對中。基本特征表現為頻譜是以較高的1×轉頻振動為主導，通常情況下徑向振動較大，而軸向振動很小或正常，與表2-1振動數據相契合。

根據以上的頻譜分析可以得出，制氯泵B振動故障是由于結構框架松動和基礎松動所導致，故解體檢修制氯泵B，消除振動大的缺陷，保證設備的正常運行。

4?制氯泵解體檢查

通過解體檢修制氯泵B發現，中間支撐管連接螺栓的雙耳止動墊圈由于海水腐蝕而損壞，圖片詳見3-3，導致連接螺栓松動和脫落，進而支撐管之間出現晃動現象，又由于支撐管與導軸承通過螺栓連接固定，造成中間軸套偏磨嚴重，詳見圖片3-4，因此會出現制氯泵B運行過程中振動超標，嚴重時支撐管會完全脫落，對泵軸、葉輪、軸承等部件造成巨大破壞。

4.1?止動墊圈材質分析

止動墊圈的設計材質為316L不銹鋼，泵軸與葉輪等部件的材質為2205雙相不銹鋼，在相同條件下2205不銹鋼的耐蝕性要比316L不銹鋼更優，下面將針對316L與2205進行比較與分析。

316L不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能，但在海水和其他氯化物以及含硫溶液中則易發生點蝕，三種陰離子PO3- 4、SO2- 4、NO- 3對316L的腐蝕影響順序為PO3- 4>SO2- 4>NO- 3^[3]，即316L的點蝕隨著陰離子腐蝕強度的減小而增大，而且316L不銹鋼的耐垢下腐蝕性能也不夠理想，墊圈所處的海水中陰離子含量詳見表3-2，因此海水使止動墊圈發生腐蝕斷裂。

2205雙相不銹鋼由奧氏體和鐵素體兩相組織以約各占50%的比例組成，兼備奧氏體不銹鋼的優良韌性和良好的加工性與鐵素體不銹鋼較高的強度和耐氯化物腐蝕等性能，并且屈服強度約為奧氏體不銹鋼的2倍，疲勞強度也優于奧氏體鋼。

因此根據以上分析止動墊圈的材質采用2205雙相不銹鋼，保障了墊圈在海水中不會出現腐蝕開裂的情況，并且在螺紋處添加鎖固劑，進一步確保螺栓不會出現松動的現象。

5 結語

本文利用頻譜分析方法對制氯原水升壓泵的振動問題進行故障診斷與分析，確定了振動原因為止動墊圈松動導致中間支撐管晃動，進而使中間軸套發生嚴重偏磨，并提出了改進方案，即止動墊圈的材質用2205雙相不銹鋼取代，使振動問題得以解決，保證了設備的安全穩定運行，為液下長軸泵的振動故障診斷及材料優化提供了重要參考。

參考文獻

[1] 葛憲福.振動信號分析在旋轉機械故障診斷中的應用[D].北京：華北電力大學碩士學位論文，2007.

[2] 楊建剛.旋轉機械振動分析與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2007

[3] 劉佐嘉.316L與2205不銹鋼的腐蝕行為研究現狀[J].北京：北京科技大學，2010