大型汽動給水主泵異常振動原因及處理辦法探究

李釗，李凡，楊杰元

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，河北 石家莊 050310）

1 前言

作為熱力發電廠常用的輔機設備，汽動給水主泵在工作過程中由于機械和水產生的動態力等原因，常出現振動現象。根據ISO10816轉機瓦振（軸承振動）標準中規定，熱力發電廠的大型給水主泵（剛性基礎600～12000r/min）屬于第三類機械，其正常振動速度均方根值需要保持在4.50mm/s以下。一般情況下，幅度較小的振動并不會影響設備的正常運行。但隨著電廠的增容擴建、設備長期高負荷工作，給水主泵出現較大幅度的異常振動機率大幅上升，當其振動值超過標準規定值時，常發生跳閘、損壞、負荷受限等事故。汽動給水泵工作時的振動信號具有多種特征，其既具有諧波、次諧波、低頻、工頻、高倍頻等頻率特征的振動，還有與頻率無關的振動；水泵工作時的振動方向有徑向振動、水平振動、垂直振動、軸向振動等橫振以及扭振；其振動誘因有自由振動、受迫振動、自激振動、隨機振動以及共振。且對于引起水泵異常振動的原因不同，其振動信號的特征也不同。

本文針對某熱力發電廠汽動給水主泵的異常振動的問題，從異常振動特征角度出發，對引起水泵異常振動的原因進行分析；并對異常振動的原因進行維修，用以解決異常振動問題。

2 設備簡況及測點布置

存在異常振動問題的汽動給水主泵機組主要由小汽機和汽泵組成，設備的基礎信息如表1所示。

表1 汽動給水主泵基礎信息臺賬

為了對存在異常問題的汽動給水主泵工作情況進行監控測試，根據不同水泵的工作特點，設置相應的測點，如圖1所示。

圖1 汽動給水主泵模型及測點

根據水泵的工作特點，對其振動數據采集主要是對設備軸承室位置振動數據進行測量，因此在軸承室處規范測點：（1）其中測點1位置設置在驅動設備（小汽機）非驅動端；測點2位置設置在驅動設備（小汽機）驅動端；測點3位置設置在水泵驅動端；測點4位置設置在水泵非驅動端。（2）對每個設置在軸承室上的測點位置處進行3個方向的振動數據采集。將對汽動給水主泵臥式設備測點的水平方向、軸向、垂直方向的振動數據進行測量記錄。（3）為規范測點振動數據，設置H為水平方向、A為軸向、V為垂直方向。

3 簡易振動檢測情況

根據設備特性，對汽動給水主泵3個月內泵振動情況進行記錄，統計其各軸承室上測點位置的最大振動值情況，如表2所示。

從表2可知，3個月內，汽動給水主泵在工作過程中存在異常振動位置有3處，分別時小汽機驅動端（測點2）、給水主泵驅動端和非驅動端，其中異常振動最大位置位于水泵非驅動端水平測點處。作為熱力發點廠機組的“心臟”，汽動給水主泵的異常振動問題若不能及時處理，很容易在機組運行過程中出現泵軸斷裂的嚴重事故。

表2 水泵振動情況記錄表

4 基于振動分析的水泵故障分析

4.1 異常振動的觀測

常見引起汽動給水主泵產生異常振動可能的原因有轉子不平衡、轉子偏心、泵軸彎曲、軸系不對中、轉動機械松動、動靜摩擦、滑動軸承故障以及滾動軸承故障。

常規檢測過程中，對于轉子不平衡的問題，需檢查測量轉子是否存在質量不平衡；對于轉子偏心，需檢查轉子是否存在幾何中心與旋轉中心不重合的現象；對于泵軸彎曲，需要檢查泵軸的曲直狀況；對于轉動機械松動問題，檢查是否存在外部松動或轉動部件松動情況；對于動靜摩擦問題，需將設備拆卸，檢查轉動設備與支撐件接觸位置是否存在過深的摩擦痕跡；對于滑動軸承故障，需要看軸瓦烏金表面是否光滑無脫胎、軸瓦間隙是否合格；對于滾動軸承故障，就需要對滾動軸承是否存在磨損故障進行檢查。

可見按照水泵故障的常規檢查步驟存在檢查時間長、工作量大的不利條件。當打破常規的要因確定步驟，對汽動給水主泵進行詳盡振動分析的方法確定要因，將大大減少故障檢查時間，提高熱力發電廠的工作效率。

4.2 汽動給水主泵異常振動原因分析

根據設備特性，對汽動給水主泵3個月內振動及軸瓦溫度進行統計，對部分統計結果進行整理，結果如圖2所示，分析汽動給水主泵各軸瓦溫度隨轉速變化趨勢。

圖2 汽動給水主泵各軸瓦溫度隨轉速變化趨勢圖

從圖2中可以看出，隨著轉速增大，各軸瓦溫度隨之輕微上漲，均未出現超溫報警情況，軸瓦溫度整體正常。根據采集到的振動數據，作圖3，分析給水主泵高低壓側振動隨轉速的變化趨勢。從圖3中可以看出，汽動給水主泵軸承振動在4706rpm時出現振動最大值達99μm，位置為高壓側垂直方向即4H處（非驅動端垂直方向），轉速在4630～4750rpm之間時，振動明顯處于高值，此時高壓側水平振動與低壓側各項振動值相對較低，初步懷疑高壓側軸承室存在局部共振。

圖3 汽動給水主泵高低壓側軸承振動隨轉速變化趨勢圖

使用機械狀態分析儀分別測量該泵高、低壓軸瓦位各向振動，得到其主要頻譜及時域波形圖如圖4（a）～（c）、圖5（a）～（c）所示。

圖4

圖5

頻譜特征和故障描述：綜合分析各頻譜圖發現，各方向振動中廣泛存在1倍頻和6倍頻分量，高壓側垂直方向振動最大；分析出現1倍頻的主要原因為給水。

主泵轉子長期運行因腐蝕、磨損、結垢等原因出現質量不平衡；高速離心泵中的流體，從葉輪的流道中流出，進入擴壓器或蝸殼時，如果流體的流動方向與葉片角度不一致，流道中就產生很大的邊界層分離、混流和逆向流動，流體對擴壓器葉片和蝸殼隔舌的沖擊，將使流體在管道中引起很大的壓力脈動和不穩定流動，這種壓力波又可能反射到葉輪上，激發轉子振動，振動頻率稱為葉片通過頻率（葉輪葉片數乘以轉速），因此分析出現6倍頻（葉輪葉片數為6個）的主要原因為，由于長期運行，各流道、密封環受到沖刷磨損，流體的流動方向與葉片角度不一致導致流體產生不穩定流動，激發葉片通過頻率（同時又少量的30倍、36倍、42倍、48倍、54倍等諧波）的出現。另外，在小汽機的振動頻譜成分中發現了6倍頻及部分諧波，分析主泵的振動傳遞到了小汽機上。該汽動給水泵組采用齒式聯軸器，齒式聯軸器必須正確潤滑，這樣齒才能滑動接觸。如果聯軸器卡住，就不會有滑動接觸，設備就像是剛性軸，這樣在驅動設備與被驅動設備之間振動就會通過聯軸器相互傳遞，結合小汽機與給水主泵頻譜綜合分析，聯軸器出現磨損或松動造成聯軸器卡住。

綜上所述，造成汽動給水主泵振動的原因包括轉子質量不平衡、流道及密封環受到沖刷磨損產生不穩定流動、聯軸器磨損或松動造成聯軸器卡住等。在以上因素綜合影響下設備原有固有特性發生改變，導致該泵在4630～4750rpm之間出現明顯局部共振現象，如繼續長期運行存在水泵嚴重損壞的風險（2A給水主泵曾發生過驅動端軸斷裂事故）。

末端原因確認：通過以上分析可排除的原因有轉子偏心、軸彎曲、不對中、動靜摩擦、滾動軸承故障、滑動軸承故障，最終確定振動超標原因為局部共振，引起共振的要因為轉子不平衡、流道及密封環受到沖刷磨損產生不穩定流動、機械松動（聯軸器出現磨損或松動）。

5 故障處理

5.1 故障處理

針對汽動給水主泵故障引起的異常振動問題，對設備解體大修，轉子進行高速動平衡試驗、檢查聯軸器、檢查內部通流情況，調整轉子動平衡至標準范圍內，更換磨損、超標、損壞的部件。

解體檢修發現聯軸器短接外齒存在多個斷齒、聯軸器內齒磨損嚴重，如圖6所示。檢修中將該聯軸器進行了更換；芯包解體發現的缺陷主要包括：通過高速動平衡試驗發現轉子存在明顯不平衡，并在第三級葉輪處去除質量15g，第四級葉輪處去除15g，第五級葉輪處去除20g，處理后達到動平衡試驗標準；葉輪進口頸部與葉輪磨損環間隙、葉輪輪轂與導葉襯套間隙超標嚴重，如表4所示，最嚴重部位超標達50%左右（0.25mm），將間隙超標的葉輪磨損環、導葉襯套進行了更換；逐一處理修復以上缺陷后，將該泵按照標準及規范要求回裝。

圖6 汽動給水主泵聯軸器發生嚴重磨損、配合松動

表4 葉輪進口頸部與葉輪磨損環間隙、葉輪輪轂與導葉襯套間隙

5.2 故障處理效果檢查

對策實施后，對汽動給水主泵再次進行了振動采集，振動情況統計如表5所示。可見對策實施后，汽動給水主泵振動超標缺陷得到了解決，且未發生因振動超標導致的設備跳閘、損壞及負荷受限事故，使得設備運行時的振動狀態保持在正常范圍內，保證了重要水泵的安全運行，提高了重要水泵的運行可靠性。

表5 水泵振動情況調查統計表

6 結語

通過對某熱力發電廠存在異常振動的汽動給水主泵的詳細振動信號進行采集分析，得知引起汽動給水泵異常振動的可能原因為為軸系不對中和局部共振。針對診斷出的問題對汽動給水主泵存在故障的部位進行檢修，最終使得汽動給水主泵異常振動的問題得到解決，保證了水泵的安全運行。間接證明了對于較為大型的水泵設備故障，使用“振動分析”方法診斷故障問題的可靠性，為同類型泵的故障診斷和處理提供有益借鑒。