口環摩碰引起機泵振動的機理分析

李迎麗，高子惠，李 犇

（中國石油集團安全環保技術研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

機泵的口環又稱耐磨環或密封環，主要作用是避免葉輪和蝸殼發生直接接觸，有效保護葉輪?？诃h材料應具有很好的耐磨性能，同時還能在葉輪與泵殼間形成狹窄、曲折的通道，以增加介質的流動阻力，防止出口端介質倒流至入口端，起到很好的密封作用。隨著大型機泵對效率的要求不斷提高，口環間隙逐漸變小，機泵時常會因工藝、啟泵操作不當等原因造成口環摩碰。一旦口環發生嚴重摩碰將會影響機泵運行穩定性，輕則機泵振動急劇上升，嚴重時將破壞機泵的軸承、密封，發生惡性事故的概率將大大增加。因此，有必要在機泵發生口環摩碰的早期明確故障原因。

傳統的設備運行管理模式通常是計劃檢修或故障檢修，設備出現異常后很難早期判斷故障原因。近年來，隨著設備狀態監測與故障診斷技術趨于完善，在診斷理論、診斷設備性能、診斷技術應用與推廣等方面，為設備管理、設備的可靠性與維修性、提高企業的生產水平，減輕維修人員的勞動時間與強度，達到了一個新的水平，避免了設備“過剩維修”或“維修不足”現象。在當前狀態監測診斷技術水平下，國內外針對大型、重要設備通常采取振動監測手段（包括在線或離線監測），通過監測設備的振動判斷設備的健康狀態。例如，及早發現機泵常見的不平衡、不對中、松動、軸承、摩碰等故障，能夠使設備維修的時刻恰到好處，既保障設備長周期運行，又降低企業維修成本。本文將從狀態監測角度分析機泵發生口環摩碰故障的機理，通過一起典型的機泵口環摩碰案例驗證診斷結論的準確性。

1 機泵口環摩碰故障機理

口環摩碰是機泵運行中較常見的一種故障類型，故障發生后轉子的振動通常會增大，同時也會帶來零部件的損傷甚至引發重大的破壞性事故。此類故障現象與其他故障容易混淆，如流體失穩、軸承故障等，設備技術人員經常出現誤判，導致機泵檢修易返工。通過幾年工作經驗積累，這類摩碰故障的主要因素有轉子與靜止之間的安裝間隙太小、軸存在撓曲變形、轉子在軸向方向上有較大的躥動、設備高振動、動靜件熱膨脹不均等等?？诃h發生摩碰故障有輕重之分，輕則是口環表面擦傷，由于摩擦力不大，不會影響轉子軸系的運動特性，也不會引起很大的振動，設備未停機拆檢之前往往不易被發現；重則口環之間發生碰撞摩擦、產生較大摩擦力，有時甚至發生360°整周的摩擦，顯然這類摩碰會引起轉子較大的振動并嚴重損失零部件。在實際故障診斷中，兩類摩碰的故障特征不同，振動信號分析是常用的診斷方法。

口環發生摩碰時相當于在摩碰點處增加了一個支撐，改變了轉子的剛度。口環之間不斷發生局部摩擦，剛度在接觸與非接觸兩種情況之間發生變化，其變化的頻率就是轉子的進動頻率，這種周期性的變化使得轉子自由振動變得極不穩定。在發生輕摩碰的情況下，由于轉子不平衡，轉速頻率成分幅值較高，倍頻成分一般并不太高，但隨著轉子摩擦接觸弧的增加，由于摩擦部位起到了很強的支撐作用，轉速頻率幅值有所下降，摩碰的故障頻率會有所增大。在強摩碰發生后，在頻譜圖上經常會出現轉子的一階自振頻率（摩碰時相當于增加了一個支撐，使得自振頻率升高），還會出現轉速頻率域振動頻率之前的和差頻率，摩碰故障一階自振頻率一般是0.5 倍頻左右，因此在圖譜上會出現0.5倍頻或1.5 倍頻左右的頻率。通過對近幾年此類故障經驗的總結，口環摩碰會造成類似旋轉失速的紊流，引起轉子固有頻率的振動，運轉時滑環摩擦，支撐剛度變大，使固有頻率變化，因此振動頻率隨著轉速變化，轉子動力學不穩定引起泵軸的一階彎曲模態共振，這類故障會出現明顯的一點幾倍頻。由于每臺機泵轉子的剛度不一致，這個頻率往往不是固定的，但幾乎均在1.5 倍頻左右。有時候口環間隙過大在降低效率的同時也會出現振動過大，出現同樣的振動頻率，口環摩碰、間隙過大的振動激勵可以通過調整間隙、修改滑環造型或更換新口環來解決。

2 口環摩碰故障診斷實例

某石化聯合車間P102I 加氫進料泵為美國福斯公司制造的BB5 多級離心泵，向渣油加氫裝置提供原料（圖1）。該泵額定流量210 m3/h，揚程2823 m，額定轉速4808 r/min。

圖1 P102I 加氫進料泵概貌

2021 年11 月11 日，轉子因循環氫壓縮機干氣密封泄漏緊急停工，因工藝操作不當造成P102I 在最小流量附近運行，振動及軸位移異常增大。隨后，該泵先后進行6 次試運，振值、軸位移均異常，泵驅動端最大振值分別為水平126 μm、垂直100 μm，軸位移最大+0.62 mm。現場通過檢查入口濾網，更換軸承，調節對中等方式，該泵振動問題仍未解決。

（1）通過監測頻譜圖可知，該泵低負荷運行時負荷端頻率成分以工頻（80.2 Hz）和流體頻率（401 Hz）為主，振值很低、低于報警值；提高負荷后，泵負荷端頻率成分出現顯著的1.4 倍異步振動頻率（111.3 Hz），振值顯著升高且該頻率成為頻譜中的主導頻率（圖2）。

圖2 P102I 泵低、高負荷運行狀態譜對比

（2）通過現場了解，該機組以往正常運行時相關工藝參數穩定，本次啟機提高負荷后，流體頻率（401 Hz）不明顯，排除工藝調節原因引起的振值升高。

（3）機組檢修后，激光找正儀的對中數據在合格范圍，并且在低負荷與高負荷運行期間均未見到明顯2 倍頻頻率成分，排除不對中原因引起的振值升高。

（4）在低負荷狀態運行時，工頻成分為主且振值低，提高負荷后工頻成分不明顯，排除轉子明顯彎曲原因引起的振值升高。

通過本次機組圖譜所表現的故障特征，結合以往檢修、運行情況以及口環摩碰振動機理模型，綜合分析后認為，該泵振動升高的原因為摩碰故障，建議解體、著重檢查葉輪口環等部件是否發生過摩碰。

11 月29 日，該泵拆解后發現發現口環、級間套等部件存在明顯摩碰，與之前的分析診斷結論一致（圖3）。另外，從檢修數據也可以發現一部分口環間隙偏大。該泵為10 級高溫高壓機泵，口環間隙出現問題后機泵流體泄漏量會加大，口環間流體也會失穩，導致機泵振動超標，同時隨著機泵流量增大，流體紊流加劇，振動也隨之增大，所以口環間隙相對較小的部位會發生摩碰現象。

圖3 現場檢維修時發現口環摩碰

2022 年1月10 日，機泵檢修回裝完成、試運合格，現場測試殼體最大振值1.5 mm/s，狀態監測系統上顯示該泵最高振值24 μm，異步頻率（1.4 倍頻）消失，該機泵口環摩碰故障最終解決。

3 結論

從狀態監測理論角度介紹機泵口環摩碰的故障特征及機理，總結同類型故障經驗，同時通過一例機泵口環摩碰故障的分析，詳細介紹機泵狀態監測及故障診斷的方法，逐項排除機泵可能會發生的故障，最終精準判斷機泵具體故障。狀態監測及故障診斷技術的應用，不僅能夠提高企業設備預知維修能力，避免機泵出現由于高振動導致的泄漏、著火、爆炸事故，同時還能夠為企業節省檢維修工期、費用。本文對該類故障機理探討對機泵口環故障的判斷有著指導意義，這一診斷方法能夠指導設備技術人員及時找到原因，進而保證設備安全、平穩、長周期運行。