離心泵振動故障診斷及解決措施

張勝國，張紹英，傅立峰，朱秀慶

(榮盛石化股份有限公司，浙江杭州 311247)

離心泵具有性價比高、流量均勻、結構簡單、運轉可靠和維修方便的優點，因此廣泛應用在聚酯工業生產中。由于聚酯工藝必須保證裝置連續性生產，因此其在線設備必須可靠、穩定、經濟、安全運行。設備進行計劃性檢修前的運行周期內要少發生甚至不發生故障。

EG循環泵(位號：1252-P01A/B)是PET生產裝置預縮聚工藝生產階段真空系統的關鍵設備之一，其運轉可靠性影響真空系統乃至整套PET生產裝置運轉的穩定性。

1 EG循環泵故障簡介

EG循環泵(位號：1252-P01A/B，AB兩臺離心泵互為備臺)，單臺運行，定期切換。該泵屬于單級臥式離心泵，由電機、聯軸器和泵體組成，額定流量212 m3/h，中心高320 mm，電機轉速2 975 r/min，功率110 kW。

兩臺EG循環泵自投產運行以來一直存在振動值偏高的問題，尤其是1252-P01A泵振動嚴重超標，經過多次常規撿修問題依然存在，無法長周期運轉，僅作為B泵故障檢修時的應急備臺使用。

離心泵的異常振動是誘發其他故障的主要原因，曾發生由于離心泵的異常振動導致泵連接體產生裂紋、泵軸軸承異常損壞、軸承抱軸、轉軸橫向裂紋、機械密封短時泄漏、連接管路振動、焊口開裂、連接部件松動、基礎裂紋、地腳螺栓松動或電機損壞等故障，嚴重影響設備的穩定運行，并由此帶來相應的維修費用的增加，以及由于設備故障造成的停產損失。甚至會因物料外漏導致嚴重的安環事故，給企業帶來重大的經濟損失。

2 離心泵振動檢測

離心泵的常見故障有：轉子不平衡、轉子不對中、轉軸彎曲、轉子支撐部件聯接松動、機械密封動靜件摩擦及軸承等主要零部件的故障，這些故障的主要特征是機器伴有異常的振動和噪聲。其振動信號從時域、頻域反映了離心泵的故障信息，其中時域分析主要解決離心泵的運行狀態問題；對設備故障類型、部位和原因的判斷需要選擇頻域分析，即頻譜分析是判斷離心泵故障相關內容的重要方法。

文獻[1]提供了不同故障的特征頻率的判斷依據。

(1) 不平衡：振動頻率為工頻(轉子旋轉速頻率)，水平和垂直方向振動的相位差為90°。

(2) 聯軸器不對中：聯軸器平行不對中時振動頻率為二倍頻。聯軸器偏角不對中使轉子在軸向產生工頻振動。平行偏角不對中是以上兩種情況的綜合，使轉子發生徑向和軸向振動，其軸向振動相位差為 180°，而徑向振動為同相位，這是角度不對中獨有的特征。

(3) 軸承座不對中：振動頻率主要是工頻，并伴有二倍頻和三倍頻：滾動軸承不對中還將出現n倍頻，徑向和軸向都會有較大的振動。

(4) 軸彎曲：振動頻率主要是工頻，還會出現二倍頻和三倍頻，一般情況下三倍頻高于二倍頻。

(5) 基礎松動：以工頻振動為主，徑向較大，垂直更明顯，軸向振動很小或正常。

(6) 軸承松動：軸承在軸承座中松動，振動將始終保持工頻和二倍頻。

(7) 轉子組件松動：振動頻率主要是工頻，可能伴有倍頻或1/2、1/3等分數倍頻。

現場故障分析中需對離心泵振動頻率進行測試，振動頻率和機器故障的關系并不是一一相對應的。某一特定頻率的振動，可能和多種機器的故障有關聯。需根據測試結果分析導致振動的主要原因。

3 振動檢測及原因分析

適時對1252-P01A泵實施離線測試，測試結果如下。

離心泵驅動端(圖1測點1)振動數值為：垂直方向振動8.3 mm/s，水平方向振動14.1 mm/s。

流體端(圖1測點2)振動數值為：垂直方向振動7.6 mm/s，水平方向振動11.8 mm/s。

圖1 EG循環泵不同的測點示意圖1：離心泵；2：聯軸器；3：電機

離線檢測的振動圖譜如圖2所示。

圖2 泵端速度頻譜及時域波形

對于離心泵故障類型的判斷，選擇工頻頻譜分析方法是有效實用的，因為離心泵的不同故障類型都對應有相應的特征頻率。同時離心泵故障所引起的振動多為強迫振動，強迫振動的振動頻率和輸入工頻是相等的，這為故障類型的判斷提供了重要的理論基礎[2]。

分析離線檢測離心泵所選部位的速度有效值數據，泵端振動嚴重超標，尤其水平方向。所測量的頻譜中以電機的工頻振動幅值最大，且二倍頻和三倍頻幅值較大，同時在時域中沖擊較明顯；水平方向與垂直方向振動相位差接近180°。聯軸器不對中又可分為平行不對中、偏角不對中和平行偏角不對中三種情況。平行不對中時振動頻率為轉子工頻的兩倍(二倍頻)。偏角不對中使聯軸器附加一個彎矩，以力圖減小兩個軸中心線的偏角。軸每旋轉一周，彎矩作用方向就交變一次，因此，偏角不對中增加了轉子的軸向力，從而在兩端軸承的軸向上產生很強的工頻振動和較弱的二倍頻振動。角度不對中同樣會在徑向上產生較強的工頻和二倍頻振動。平行偏角不對中是以上兩種情況的綜合，使轉子發生徑向和軸向振動，主要特征頻率為工頻、二倍頻和三倍頻。

初步判斷1252-P01A泵的振動故障為聯軸器平行偏角嚴重不對中(偏心)引起。

4 排查及措施

4.1 聯軸器簡介

1252-P01A泵采用帶中間短軸的加長型梅花形聯軸器，聯軸器外徑是φ140 mm。梅花形聯軸器是將一個整體的梅花形彈性環裝在兩個形狀相同的半聯軸器的凸爪之間，通過凸爪與彈性環之間的擠壓傳遞動力，通過彈性環的彈性變形補償兩軸相對偏移，實現減振緩沖。為了實現不拆除電機檢修離心泵，在離心泵與電機聯軸器之間增加一短軸，分別與離線泵、電機聯軸器相聯接。帶中間短軸的梅花形聯軸器如圖3所示。

圖3 帶中間短軸的梅花形聯軸器1:電機端有對中榫凸緣聯軸器；2:泵端梅花形聯軸器；3:短軸；4:短軸梅花形聯軸器

4.2 不對中原因分析

對泵端與電機端聯軸器打表測量，數值均<0.05 mm，符合技術要求。重新啟動離心泵，測量離心泵振動值依然嚴重超標，不能正常運行。

1252-P01A泵的對中找中心過程為：首先對聯軸器1、聯軸器2進行找中心(需制作專用的找中心架子)，再將裝配有梅花形聯軸器4的短軸3與聯軸器1裝配連接，短軸3與聯軸器1配合精度靠榫槽與凸緣機加工精度保證，通常不會測量短軸3與聯軸器1的同心度。

在實施對中找中心的過程中，發現短軸3連接法蘭的凸緣(與電機端聯軸器1的榫槽配合面)的尺寸精度不足，技術要求的配合公差為H7/js6；同時又在使用、維護過程中造成連接法蘭凸緣的損傷，導致聯軸器端面與軸中心線不垂直。在安裝過程中，螺絲擰緊后，導致加長型梅花形聯軸器的質量中心線與電機旋轉軸不重合，產生偏心質量m與偏心距e。當轉子轉動時將產生離心力、離心力矩或兩者兼而有之。離心力的大小與偏心質量m、偏心距e及旋轉角速度ω的平方成正比，即F離心力=meω2。交變的力(方向、大小均周期性變化)會引起振動，這就是不平衡引起振動的原因。轉子轉動一周，離心力方向改變一次，因此不平衡振動的頻率與轉速相一致。短軸3越長，偏心質量m越大，偏心距e越大，聯軸器端面在運行中晃動越大，產生的激振力越大。短軸聯軸器的運動受泵端聯軸器的束縛，短軸聯軸器反作用于泵軸上的不平衡力偶就越大；同時平行偏角不對中(見圖4)越嚴重。由于存在嚴重不平衡和不對中故障，表現出大幅值的工頻和二倍頻。

圖4 加長型聯軸器平行偏角不對中示意圖

在EG循環泵啟動后，偏心聯軸器高速旋轉會產生較大的撓曲變形同時產生附加力矩，附加力矩導致聯軸器1與短軸2緊固螺栓松動，加劇離心泵軸的振動。

除以上導致不對中的故障原因外，還有以下幾點原因需關注：1)軸器連接螺栓的周向間距不良，對稱性被破壞；2)聯軸器加長節偏心，將會產生偏心力；3)彈性銷和聯軸器的配合過緊，使彈性柱銷失去彈性調節功能造成聯軸器不能很好地對中；4)聯軸器與軸的配合間隙太大；5)聯軸器上使用的傳動螺栓質量互相不等。

4.3 處理措施

針對聯軸器不對中的問題，我們將梅花形聯軸器更換為雙膜片聯軸器(結構圖見圖5)。膜片聯軸器是靠膜片的彈性變形來補償所聯結兩軸的相對位移。雙膜片聯軸器能補償主動機與從動機之間由于制造誤差、安裝誤差、承載變形以及溫升變化的影響等所引起的軸向、徑向和角向偏移。

圖5 雙膜片聯軸器結構圖

任何回轉零部件的慣性主軸與旋轉軸線之間都有偏心，它在運轉時產生的不平衡慣性力矩必將引起傳動軸系的振動。運轉過程中聯軸器膜片所受附加應力的大小與兩軸相對角位移、兩軸相對軸向位移、兩軸相對徑向位移有關，還與聯軸器的螺栓數、膜片厚度、聯軸器螺栓分布半徑等因素有關。

雙膜片聯軸器采用兩端固定的結構，與帶中間短軸的加長型梅花形聯軸器相比，減小了懸臂質量、水平和垂直方向產生的附加位移偏差也減小。

更換雙膜片聯軸器后，啟動EG循環泵，測點1振動值為：垂直方向振動1.4 mm/s，水平方向振動3.2 mm/s；測點2振動值為：垂直方向振動1.8 mm/s，水平方向振動3.0 mm/s。較檢修更換前所測數值大為改善。

5 效果評價

通過對1252-P01A泵的振動檢測，判定故障原因為聯軸器不對中，采取更換雙膜片聯軸器的措施。更換雙膜片聯軸器后，離心泵最大振動值一直處于3.9 mm/s以下，1252-P01A泵實現了長期、連續、穩定、可靠運行。作為應用推廣，目前已經成功將帶中間短軸的加長型梅花形聯軸器全部更換為雙膜片聯軸器。

對離心泵進行振動檢測與故障診斷有著重要意義。振動檢測技術能快速而準確地定位故障源、診斷出故障原因和損傷程度，根據診斷結果制定相應的預防和維修措施，及時地排除設備事故隱患、預防設備惡性事故，實現離心泵的預知維修。振動檢測與故障診斷技術提高了離心泵故障診斷的效率，有效避免設備突發事故，減少計劃外停機時間，避免和減少非計劃停產造成的經濟損失。