高壓液氨泵振動周期性波動原因分析

魏 傲，陳武東

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

旋轉機械的振動故障種類繁多，并且各自對應著不同的機理，即使是相同的表征現象，其內在機理也不一定相同，其中，振動周期性波動是這類典型故障。導致振動周期性波動的原因很多，實踐中應追根溯源，找到產生波動的根本原因，才能進行準確判斷，采取有效的措施消除故障。

海洋石油富島有限公司化肥一期年產52萬噸尿素裝置，采用從意大利Snam公司引進的氨氣提法生產工藝進行大顆粒尿素生產，是國內第一套生產大顆粒尿素的裝置，主要生產直徑2.0～4.0 mm的大顆粒尿素，產品符合國標GB 2440—2001《尿素》要求。高壓液氨泵作為尿素裝置的關鍵設備，其主要作用是將液氨升壓到反應所需要的壓力。

1 工藝流程

海洋石油富島有限公司化肥一期尿素裝置使用的高壓液氨泵（P101A/B）是中速多級離心泵，由意大利新比隆（NUOVO PIGNONE）公司設計并制造，工藝流程如圖1所示。

圖1 尿素裝置工藝流程

合成裝置供給的液氨首先通過氨過濾器（S102）進行過濾，然后進入氨受槽（V105）中，再進入氨升壓泵（P105）進行加壓，壓力達到到2.5 MPa后進入到高壓氨泵（P101），通過多級壓縮加壓，當壓力升至22.35 MPa后通過氨預熱器（E107）進行預熱處理，最后通過甲銨噴射器（L101）混合噴射進入尿素合成塔（R101）中發生化學反應生成尿素。

2 設備結構

海洋石油富島有限公司化肥一期裝置所用的高壓液氨泵（P101A/B）結構組成為單缸、二段、十級葉輪的中速離心泵，其型號為：4×10-DDHF/10ST，裝置現場配備2臺泵，一開一備,其主要性能參數如表1所示。

表1 多級離心式高壓液氨泵（P101B）主要技術參數

如圖2所示：高壓液氨泵分為泵體內缸和泵體外缸兩個部分，外缸為筒式結構，內缸為水平剖分式結構；轉子包含10級葉輪、中間襯套、平衡襯套、軸套以及軸等；采用干氣密封作為端面密封，型號：28VL/28VL串級式，為英國約翰·克蘭（JOHN CRANE）公司產品；采用可傾瓦式軸承作為徑向軸承，金斯伯雷型軸承為止推軸承。按照設計要求，高壓液氨泵正常運行時轉子各部位間隙及跳動值應在一定范圍內（圖3）。

圖2 高液氨泵結構

圖3 高壓氨泵轉子各部位間隙及跳動值要求（單位：mm）

3 故障現象

2019年4月海洋石油富島有限公司尿素裝置高壓液氨泵（P101B）檢修后試車，DCS顯示振動值如圖4所示，泵體兩端軸承振動值均在40μm以上，運行溫度正常。運行0.5 h后停泵備用。

圖4 DCS系統振動值

2019年11月21日，將高壓液氨泵倒泵至P101B運行。經過一段時間的運行，P101B驅動側振動值V41252C/D呈現出周期性波動現象，且同一側的兩個探頭的變化趨勢相反，波動周期約為24 h，持續時間約為5 h。振動值波動趨勢如圖5所示。

圖5 振動值波動趨勢

4 原因分析

根據機泵運行參數進行分析，引起該泵產生振動周期性波動的可能原因有碰摩、油膜失穩、存在莫頓效應、轉子存在不平衡量等。

由于該泵未接入狀態監測系統，無法通過具體的頻譜圖進一步判斷。現場采用手持測振儀測得殼振頻譜。驅動側軸承振動頻譜如圖6所示，止推側軸承振動頻譜如圖7所示。結合頻譜所示的的主要頻率組成，就上述4種可能引發設備振動值出現周期性波動的原因展開分析。

圖6 驅動側軸承振動頻譜

圖7 止推側軸承振動頻譜

4.1 碰摩

碰摩是機泵運行中的常見故障，它可能發生在機泵的任何位置。海洋石油富島有限公司化肥一期所用的高壓液氨泵口環間隙標準值為0.40～0.80 mm，該轉子在安裝過程中的最小間隙為0.32 mm，對應軸徑處跳動為0.13 mm，因此在轉子運行過程中極可能產生碰摩，從而產生熱彎曲。在碰摩產生后振動趨勢和相位呈現周期性波動是碰摩帶來的一種常見現象，但由于摩擦是一個非線性響應的過程，所以相位和幅值的變化不是重復的，導致振動幅值和相位的重復性較差。但是碰摩的另外一個特征是其產生的頻率也是精確的1×。根據現場所測振動頻譜來看，高壓氨泵驅動側主要頻率為1×、4×和5×，止推側頻率為1×，無法排除碰摩的影響因素。進一步分析需待機泵解體檢修時檢查口環及軸承磨損狀況。

4.2 油膜失穩

油膜失穩是轉子運轉中產生的一種自激振蕩，可以分為油膜渦動和油膜振蕩兩種形式。由于使用滑動軸承的轉子中存在因偏心質量導致的不平衡力，加上軸承本身交叉剛度系數限制，使得轉子系統中出現了失穩因素。當油膜失穩發生時，可能導致振動值出現周期性波動的現象。

當轉子處于低轉速運行狀態且負載保持不變，在受到外部力量干擾時，轉子軸頸在彈性變形力的作用下仍然能夠回到原來的平衡位置。隨著轉速的升高，當達到一定轉速后，彈性變形力將無法抵抗外部干擾力，導致轉子軸頸無法再回到初始位置，其中心將會沿這一個近似橢圓的封閉軌跡運動，繼續升高轉速，運動軌跡則會成為一個極不規則的擴散曲線，這時便形成油膜的失穩[1]。

高壓液氨泵轉子運行轉速為7500 r/min，而轉子臨界轉速＞9000 r/min，不滿足形成油膜振蕩的條件，因此可以排除油膜振蕩的因素，但是滿足油膜渦動的形成條件。油膜渦動的一個重要特征是其頻率為0.5×，與現場所測量的頻譜不符，因此可以排除油膜渦動的存在。

4.3 莫頓效應

轉子的運動可以分解為自身轉動和繞靜態平衡點的渦動，相比較其他點而言，轉子軸頸表面的最高點距離軸承內表面最近，這個點稱為高點。高點在每個轉動周期內都會以最小高度經過油膜的最薄處，而在此處的產生的黏性剪切力最大，油膜的黏滯能量也最大，導致這個點的溫度比其他點的溫度都高，所以將這個點稱作“熱點”。熱點對應的另外一端則始終是距離軸承內表面最遠的點，此處的溫度相對而言比較低，由于存在溫度差，所以在軸頸處會產生一個熱量梯度，進而產生剪切力。當剪切應力不夠大時，轉子由于本身的剛性，不會受到影響；但當剪切應力增長到一定程度時，轉子開始產生彎曲變形，最終導致的結果就是1×振動幅值增加。在轉子系統中，當由熱變形產生的彎曲不平衡質量和轉子原本就存在的不平衡質量進行矢量合成，使得轉子的高點位置發生改變，進一步導致振動幅值和相位發生改變，最后使得熱點的位置發生改變，形成新的彎曲點，同時產生新的臨時不平衡質量，和原始的不平衡質量再次進行矢量合成，又使得高點發生進一步變化，直至高點轉動1周，然后開始進行新的循環[2]。莫頓效應的內在機理如圖8所示。

圖8 莫頓效應原理

莫頓效應的表現特征如下：

（1）周期性的有限的振動幅值和相位的變化。

（2）通過改變潤滑油的溫度可以使得振動的周期和幅值出現明顯的變化。現場處理措施：①調整徑向軸承間隙，將驅動端軸承間隙減小至設計值下限。發現機泵運行振動值和波動周期都發生了變化；②減小調整油冷器循環水量，使油溫上下變化1℃，發現機泵運行振動值和波動周期也都發生不同程度的變化。由此說明驅動端軸承振動周期性波動的現象明顯受到油溫變化的影響。因此，無法排除莫頓效應的影響因素。

4.4 存在不平衡量

根據現場所表現出來的現象，也存在轉子動平衡不佳的可能。該轉子在上次修復中采用皮帶傳動的方式進行動平衡試驗，精度等級達到G1.0。皮帶傳動方式如圖9所示。

圖9 皮帶傳動示意

由于該高壓液氨泵轉子軸徑＜60 mm，長度達到2780 mm，為典型的細長軸轉子。在“干態”條件下，該轉子為柔性轉子。特別在使用時間超過20年，剛度下降的情況下，采用皮帶傳動低速動平衡方式會造成動平衡過程中轉子的彎曲，而在實際“濕態”運行過程中轉子成為剛性轉子。因此，在試驗臺上獲得的動平衡數據與實際運行中的動平衡數據可能會存在較大偏差。同時，結合具體情況來看，該轉子在上一次動平衡校正的過程中，存在對葉輪去重過多的問題，因此也存在動平衡不佳的可能性，需要在解體檢修中對轉子數據進行進一步分析。同時對備用轉子的修復方案進行調整，改變轉子動平衡方式，采用加工專用靠背輪直接連接的方式進行動平衡校正，連接方式如圖10所示。校正后的轉子動平衡精度等級同樣達到G1.0。

圖10 靠背輪直連傳動示意

高壓液氨泵更換轉子投入運行后，振動值大幅度下降，說明轉子存在不平衡量是導致振動值出現周期性波動的原因之一。

4 停機檢查情況

因高壓氨泵振動值緩慢增長和周期性波動，驅動側振動值最高VI41252D已上漲至70μm，同時驅動側干氣密封出現泄漏，因此對高壓氨泵停機檢修。經檢查發現：

（1）盤車輕松無卡澀。

（2）聯軸節組件未發現彈性膜片有破損或變形。

（3）對中數據滿足設計要求。

（4）徑向軸承下瓦塊存在輕微的磨痕，軸承瓦塊厚度未發生變化。

（5）平衡轂套與軸套配合處、段間套處，一段3處葉輪口環處有磨痕。

（6）轉子各部位跳動值與使用前相比明顯增大，均已經超過設計值0.1 mm，但軸承處軸頸跳動值通過打表測得數據為0，據此可以判斷沒有莫頓效應存在，但轉子存在明顯的彎曲變形。

5 處理措施

現場采用更換轉子組件的方式進行處理，在動平衡校正精度同樣為G1.0的條件下，更換轉子后機泵運行振動值明顯降低，且保持平穩，振動值周期性波動現象消失。驅動側振動值：VI41252C：13.0μm，VI41252D：26.9μm；止推側振動值：VI41251C：11.2μm，VI41251D：5.9μm。目前，此臺高壓氨泵運行1年，機泵參數保持穩定。

6 結論

（1）引發旋轉機械振動值出現周期性波動的因素很多，有條件的情況下可以通過頻譜分析的方式進行故障排除，此外也可以通過改變轉子潤滑油溫、觀察振動波動情況的變化來進行故障診斷。例如：碰摩和莫頓效應引發的振動值周期性波動現象的原理和表現均有不少相似之處。可以分析其內在原理，結合表征現象和頻譜對其進行區分：①碰摩是接觸性的熱彎曲，而莫頓效應是非接觸性的，可以在機泵解體檢修時候觀察磨損情況，據此進行辨別；②如果機泵裝有狀態監測系統，可以通過頻譜圖中的極坐標圖譜來進行區分。由于碰摩的產生是非線性的，導致其引發的振動幅值、相位在圖譜上呈現重復性差的特征，而頻譜圖顯示為比較離散的圓環。相反，莫頓效應由于線性較好，在極坐標圖譜中顯示為重復性較好的圓環。

（2）對于此類細長軸轉子，在“干態”和“濕態”條件下，轉子的性能會有極大的區別，因此在低速動平衡的時候，優先采用靠背輪直連的方式，可以消除轉子彎曲變形來帶的干擾，獲得更加真實的動平衡校正結果，以確保轉子在運行過程中的動平衡狀態完好。