大型立式軸流泵泵軸偏磨分析與處理

陳擎環(huán) 吳鵬鵬 蔡振宇 蔡亞琴

（江蘇省泰州引江河管理處 泰州 225300）

1 工程概況

泰州引江河高港泵站將長(zhǎng)江水東引北調(diào)至沿海墾區(qū)和各個(gè)灌區(qū)，受益耕地達(dá)300萬(wàn)公頃；同時(shí)擴(kuò)大江水北調(diào)能力，為南水北調(diào)東線工程增添了一個(gè)取水口。當(dāng)里下河地區(qū)出現(xiàn)洪澇時(shí)，高港泵站可抽排澇水300m3/s下泄入江，提高該地區(qū)的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。在冬春枯水期，高港樞紐泵站利用1#～3#機(jī)組可抽調(diào)長(zhǎng)江水補(bǔ)充通南地區(qū)水源。

高港泵站3#機(jī)組主水泵為ZLB35-4型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，配2000kW同步電機(jī)，葉輪直徑3.0m，單機(jī)抽水能力34m3/s。3#機(jī)組于2015年大修后，累計(jì)安全運(yùn)行3800多小時(shí)。2019年，高港泵站在汛后對(duì)3#機(jī)組水下部件進(jìn)行例行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)軸承處的泵軸軸頸存在明顯磨損現(xiàn)象，偏磨面積約50%，最大單邊磨損量約2mm。

2 現(xiàn)象分析

3#機(jī)組為半調(diào)節(jié)軸流泵，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，運(yùn)行過(guò)程中葉片角度不可調(diào)節(jié)，可排除葉片超限工作導(dǎo)致葉輪體擺動(dòng)過(guò)大從而發(fā)生偏磨。技術(shù)人員又查閱3#機(jī)組自2015年運(yùn)行以來(lái)歷次開(kāi)機(jī)值班記錄，并結(jié)合泵站自動(dòng)化信息管理系統(tǒng)里的電流、溫度等數(shù)據(jù)曲線，確定在運(yùn)行期間3#機(jī)組未遭遇葉片卡阻、重物撞擊等異常情況。因水泵機(jī)組安裝質(zhì)量不合格或水泵部件損壞也會(huì)造成泵軸偏磨，技術(shù)人員對(duì)此作了相應(yīng)檢查。

圖1 半調(diào)節(jié)軸流泵整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 排查安裝質(zhì)量

2.1.1 檢查機(jī)組軸線擺度

將機(jī)組解體后，在電動(dòng)機(jī)上導(dǎo)、下導(dǎo)軸頸和水泵水導(dǎo)軸頸處，沿圓周均分8個(gè)方位，按90°方向分別架設(shè)2只百分表，百分表測(cè)量表頭垂直對(duì)準(zhǔn)軸頸，上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)處的百分表保持上下同方位。在電動(dòng)機(jī)軸頂部安裝專(zhuān)用盤(pán)車(chē)工具，利用人工盤(pán)車(chē)，測(cè)量上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)處的軸線擺度值，列表記錄。

2.1.2 檢查機(jī)組水平

在電動(dòng)機(jī)軸頂部位置，裝設(shè)水平梁和水平儀，通過(guò)人工盤(pán)車(chē)測(cè)量東南西北四個(gè)方位的水平數(shù)值，列表記錄。

2.1.3 檢查機(jī)組中心

在水泵軸水導(dǎo)軸頸上，固定一只百分表，百分表測(cè)量表頭垂直對(duì)準(zhǔn)水導(dǎo)軸窩止口，通過(guò)人工盤(pán)車(chē)，測(cè)出東南西北四個(gè)方位的數(shù)據(jù)，列表記錄。

2.1.4 檢查機(jī)組葉片間隙和空氣間隙

測(cè)量葉片間隙時(shí)，使用楔形竹塞尺和外徑千分尺相配合，對(duì)3只葉片與葉輪外殼的間隙進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)人工盤(pán)車(chē)，使葉輪均分旋轉(zhuǎn)3個(gè)方位，每只葉片分別測(cè)量上、中、下3個(gè)部位的數(shù)據(jù)，列表記錄。

使用楔形竹塞尺和外徑千分尺相配合，按磁極序號(hào)，對(duì)定子和轉(zhuǎn)子的空氣間隙進(jìn)行測(cè)量，并列表記錄。

2.1.5 檢查機(jī)組垂直同心度

在電動(dòng)機(jī)定子上部架設(shè)橫梁，在橫梁的中部安裝專(zhuān)用工具求心器，求心器周邊互成90°安裝2只百分表監(jiān)視求心器有無(wú)移動(dòng)。求心器上的重錘通過(guò)鋼琴線懸掛于放置在水導(dǎo)軸窩下方的油桶中央，油桶內(nèi)盛有合適粘度的油液用于保持重錘穩(wěn)定。使用電氣回路法，先把鋼琴線調(diào)至水導(dǎo)軸窩止口中心，然后使用專(zhuān)用加長(zhǎng)桿配合內(nèi)徑千分尺測(cè)量定子鐵芯上部和下部相同的四個(gè)方位距離，列表記錄。

測(cè)量結(jié)果顯示3#機(jī)組運(yùn)行5年后，軸線擺度、水平、中心、間隙和垂直同心度等方面各處數(shù)據(jù)與安裝時(shí)相比雖有變化，但屬正常改變，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致泵軸軸頸偏磨的異常存在。

2.2 排查水泵部件

2.2.1 檢查水導(dǎo)軸承

3#機(jī)組的水導(dǎo)軸承內(nèi)部材質(zhì)為進(jìn)口橡膠，具有耐磨性高，耐熱性好，粘接力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。雖然與其產(chǎn)生偏磨的泵軸磨損嚴(yán)重，但水導(dǎo)軸承內(nèi)部材質(zhì)外觀正常。技術(shù)人員將拆除的水導(dǎo)軸承重新組合，對(duì)其上中下三部分的內(nèi)徑分別進(jìn)行了測(cè)量，其圓度符合要求。

2.2.2 檢查水泵軸

在水泵軸的水導(dǎo)軸頸和填料函軸頸上，將2只百分表用磁性表座分別固定牢固，測(cè)量表頭垂直對(duì)準(zhǔn)水導(dǎo)軸窩和泵蓋孔口的卡口，利用人工盤(pán)車(chē)方法讀數(shù)，經(jīng)對(duì)比數(shù)據(jù)后排除了泵軸存在彎曲變形的可能。

2.2.3 檢查葉輪體

技術(shù)人員將葉輪體吊出機(jī)坑，放在平面上檢查葉片角度，3只葉片的原固定角度與葉輪體上的指示刻度均一致。但利用專(zhuān)用工具對(duì)3只葉片進(jìn)水邊和出水邊的內(nèi)、外角到葉輪體上法蘭平面的高度分別進(jìn)行測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)3只葉片高度不一致，其中2#葉片與另外兩只葉片的最大偏差值達(dá)到20～30mm。

初步懷疑是2#葉片實(shí)際安放角發(fā)生位移，葉片軸向水推力隨葉片角度的變化而變化，破壞了葉輪平衡。機(jī)組運(yùn)行時(shí)水流的作用力使得葉輪在高速旋轉(zhuǎn)中偏心，拉動(dòng)泵軸軸頸與水導(dǎo)軸承內(nèi)表面反復(fù)摩擦，由于水導(dǎo)軸承內(nèi)部材質(zhì)耐磨性高，結(jié)果造成了水泵軸頸偏磨。

3 問(wèn)題處理

將3#機(jī)組的葉輪體運(yùn)回廠家，利用高精度三維掃描儀對(duì)葉片型面尺寸進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)2#葉片的A004和A005坐標(biāo)處數(shù)據(jù)有明顯偏差，3D掃描檢測(cè)報(bào)告結(jié)論如圖2所示：2#葉片的一個(gè)角有變形，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)-13mm。

圖2 3D掃描檢測(cè)報(bào)告結(jié)論圖

找出問(wèn)題原因后，廠家對(duì)葉輪體、泵軸和水導(dǎo)軸承分別進(jìn)行了加工處理，具體措施如下：

3.1 葉輪體處理

將2#葉片拆卸后，對(duì)變形的葉角進(jìn)行了處理。檢查葉片定位銷(xiāo)有無(wú)損傷，檢查各部密封有無(wú)變形、老化、損壞，清洗葉輪體內(nèi)部空腔。清洗完成后檢測(cè)各相關(guān)配合尺寸是否符合技術(shù)要求。重新組裝處理好的2#葉片，更換損壞的葉片定位銷(xiāo)，確保各葉片高差符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)葉輪體上與泵軸連接的8個(gè)M48螺紋孔重新攻絲。

3.2 葉輪體靜平衡試驗(yàn)

將靜平衡測(cè)試軸和葉輪體組裝后，整體吊放到已調(diào)整好水平的靜平衡試驗(yàn)臺(tái)上，使葉輪體軸線與靜平衡試驗(yàn)臺(tái)上的平衡軌道相垂直，葉輪體可在其上自由滾動(dòng)。輕輕推動(dòng)葉輪體，使其沿平衡軌道慢慢滾動(dòng)，等葉輪體靜止后，若葉輪體質(zhì)量不平衡，較重的那側(cè)每次都會(huì)轉(zhuǎn)到下面，在偏重的軸線對(duì)稱(chēng)位置，偏輕的一側(cè)增加重塊，反復(fù)測(cè)試直到葉輪體在任意位置都可以停住為止。稱(chēng)出所加重塊的質(zhì)量，通過(guò)在較重側(cè)利用磨削、銑削減少重量，或在較輕側(cè)加焊配重塊的方法對(duì)葉輪體進(jìn)行加工，直至靜平衡試驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)葉輪體重新涂刷油漆，并按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求全面檢驗(yàn)確認(rèn)合格。

3.3 泵軸處理

將泵軸在水導(dǎo)軸承位置和填料函位置的軸頸上原來(lái)堆焊的不銹鋼車(chē)削去除，重新堆焊不銹鋼，水導(dǎo)軸承位置的軸頸外圓尺寸需根據(jù)返修的水導(dǎo)軸承內(nèi)孔尺寸配合加工。除水箱密封處，其余進(jìn)行除銹處理。在線檢測(cè)泵軸外圓跳動(dòng)應(yīng)符合技術(shù)要求。對(duì)泵軸除接合面外整體重新涂裝油漆，按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求全面檢驗(yàn)確認(rèn)合格。

3.4 水導(dǎo)軸承處理

將水導(dǎo)軸承清洗后拆開(kāi)檢查瓦面有無(wú)裂紋、起泡及脫殼等缺陷，如有缺陷應(yīng)更換，確認(rèn)有無(wú)其他問(wèn)題。重新組裝軸承部件，用內(nèi)徑千分尺復(fù)檢軸承內(nèi)徑。根據(jù)水泵軸軸頸直徑和配合間隙的要求，重新加工軸瓦內(nèi)徑，其尺寸和加工表面應(yīng)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。重新涂裝油漆，按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求全面檢驗(yàn)確認(rèn)合格。

4 加強(qiáng)措施

針對(duì)水泵機(jī)組在運(yùn)行中對(duì)振動(dòng)擺度等現(xiàn)象無(wú)法及時(shí)有效進(jìn)行檢測(cè)警示的問(wèn)題，高港泵站對(duì)3#機(jī)組加裝了機(jī)組振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)裝置。

在水泵軸水導(dǎo)軸承和填料函上端的x和y方向，分別安裝電渦流傳感器共4只，用以測(cè)量機(jī)組軸線的擺度。在電機(jī)上機(jī)架和下機(jī)架的x和y方向，分別安裝振動(dòng)加速度傳感器共4只，用以測(cè)量機(jī)組垂直方向的振動(dòng)。

為及時(shí)掌握機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)工況，又在定子三相進(jìn)線處加裝3只電流傳感器，用以監(jiān)測(cè)進(jìn)線端的電流信號(hào)。另外還加裝了轉(zhuǎn)速傳感器，用以監(jiān)測(cè)主機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

振動(dòng)擺度裝置與返廠加工檢驗(yàn)合格的水泵機(jī)組部件同時(shí)安裝，安裝結(jié)束，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)一切正常后，對(duì)3#機(jī)組開(kāi)機(jī)試運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行正常，運(yùn)行中的振動(dòng)及擺度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集正常。

5 結(jié)語(yǔ)

3#機(jī)組葉輪體經(jīng)返廠處理后，機(jī)組安裝運(yùn)行至今，在每年例行的汛后檢查中，沒(méi)有再發(fā)生泵軸偏磨的現(xiàn)象，可確定造成3#水泵機(jī)組泵軸偏磨的真正原因就是葉片角度變化。葉輪體由輪轂和葉片等組成是軸流泵的重要部件，其安裝質(zhì)量直接影響到軸流泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在葉輪體出廠時(shí)，必須高度重視葉片的檢查驗(yàn)收和葉輪體的靜平衡校正■