汽輪機主油泵異響與出口管道振動原因分析

石寬寬

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 設備簡介

年產80 萬噸甲醇裝置轉化爐鼓風機汽輪機J501（以下簡稱汽輪機）由杭州汽輪機股份有限公司制造，型號為NG25/20/0。其主油泵安裝在汽輪機進汽側軸頭位置，為SN 系列三螺桿泵，型號為SNGF440R40Q（圖1），使用長城牌ISOVG46 潤滑油。汽輪機與主油泵通過減速箱連接，減速箱輸入齒輪、輸出齒輪齒數分別為28 和88 齒。

圖1 主油泵三維剖視圖

汽輪機油箱位于汽輪機進汽側南側下方，主油泵入口比油箱內潤滑油液位高2 m。在油箱內部，主油泵入口管道安裝有止逆閥和噴射器，從主油泵出口管線引出一公稱直徑為1″（2.54 cm）的回流管進入主油泵入口噴射器內。作為噴射器的高速流體，該回流管上有一個調節閥，用來控制噴射器高速流體的流量。主油泵出口壓力通過主油泵出口管與油箱之間的自力式調節閥進行調節，調壓后的潤滑油經過油冷器和油濾器后分為兩路，一路作為控制油進入汽輪機控制系統，另一路作為潤滑油進入各潤滑點。控制油管路上安裝有一個緩沖罐。

2 故障現象

2018 年初，該汽輪機主油泵在運行過程中出現異響同時出口管道強烈振動，該現象一直持續到2019 年4 月裝置停車檢修。在大修停車檢修期間，對汽輪機進行調試，當汽輪機轉速上升至8350 r/min時，主油泵出現明顯異響，出口管道也產生強烈振動。在上述過程中，控制油壓力保持在0.85 MPa、未出現明顯波動，控制系統運行正常，潤滑油壓力0.25 MPa 且未出現明顯波動，各潤滑點溫度正常，油系統回油正常。

3 主油泵入口管道介質流速

根據設備資料和現場設備安裝情況，查得主油泵入口管道為4″（10.16 cm）不銹鋼無縫鋼管，公稱直徑d 為100 mm，直管長度Li為7 m，入口管道插入油箱中（當量長度Le=3 m）。入口管道有4 個90°大圓角彎頭，其當量長度Le=4×2 m，主油泵入口處有一個直角彎頭，其當量長度Le=7 m。管道已使用10 年，管道內表面粗糙度取ε=0.3 mm，油箱內部壓力為微正壓。

3.1 設計工況

查主油泵設備資料可知，當主油泵轉速n0為2900 r/min，潤滑油溫度為40 ℃，介質為ISOVG46 潤滑油，主油泵的流量Q0為680 L/min 時（設計工況），主油泵入口管道內介質流速為v0：

3.2 正常工況

汽輪機的工作轉速N1為8700 r/min，則在正常工況下主油泵的工作轉速。螺桿泵實際流量Q=ηnAT[1]。其中，η、n、A 和T 分別為螺桿泵的容積效率、轉速、有效截面積和導程。A、T 為螺桿泵設計參數，固定不變，η 在一定轉速范圍內基本不變，所以螺桿泵的實際流量Q 只與轉速n相關。因此，正常工況下主油泵入口管內潤滑油流速v0=1.21 m/s。

3.3 極限工況

極限工況是指在主油泵出口回流管調節閥全關的情況下，主油泵入口管內潤滑油依靠主油泵自吸能力達到最大流速時的工況。在極限工況下，主油泵依靠油箱內部與主油泵入口處的壓差，將潤滑油吸入主油泵內，油箱內部壓力P0為微正壓（P0=0.101×106Pa）。因潤滑油成分復雜、分子量大，此處假設潤滑油在真空狀態下不發生氣化，因此當主油泵入口處達到真空狀態時，油箱內部與主油泵入口處壓差達到最大值ΔPmax=0.10×106Pa，此時主油泵入口管內潤滑油流速也達到最大值v2。

根據連續性方程，在油箱內部潤滑油表面到主油泵入口處，可得：

其中，g 表示重力加速度，Σhf表示主油泵入口管內潤滑油阻力損失，λ 表示摩擦因數。

合并式（1）、式（2），則潤滑油流速最大值v2：

λ 與雷諾數Re2、入口管道的相對粗糙度相關，可表示為：

通過摩擦因數λ 與雷諾準數及相對粗糙度的關系[1]查得（圖2）：

圖2 摩擦因數λ 與雷諾數及相對粗糙度的關系

聯立式（3）、式（4）、式（5），使用試差法對方程組進行求解。首先，設Re2=Re1→由式（5）求v2→由式（3）求λ→查圖λ=f（Re2，）得Re2′→比較Re2′與Re2，若Re2′與Re2不相等則以Re2′代替Re2重復上述步驟，直到合適為止。通過試差法，得λ=0.067、Re2=2670、v2=1.09 m/s。

即在極限工況下，主油泵入口管內潤滑油流速最大值為1.09 m/s，此時主油泵轉速，汽輪機轉速

4 原因分析

通過上述計算得知，正常工況下汽輪機轉速為8700 r/min，主油泵轉速為2768 r/min，主油泵入口管內潤滑油流速為1.21 m/s；但在主油泵出口回流管調節閥全關的狀態下，忽略潤滑油在負壓條件下可能發生的氣化現象，只依靠主油泵自吸能力，入口管內潤滑油所能達到的最大流速也僅為1.09 m/s，低于正常工況下主油泵入口管道內潤滑油所需流速；當汽輪機轉速提高，超過極限工況轉速7822 r/min 時，主油泵轉速也隨之提高，使主油泵所需流量增大，但此時僅依靠主油泵自吸能力，主油泵入口管內潤滑油流速已經無法繼續增大，因此出現主油泵所需流量大于實際供給流量的情況，螺桿內部無法完全被潤滑油充滿、主油泵內部出現空腔，隨著主油泵螺桿的轉動當空腔到達主油泵出口時，出口處的潤滑油以極高的速度流向空腔位置、產生沖擊，使出口管道產生劇烈的振動和異響。

結合上述分析，主油泵2018 年運行中出現異響和在2019年調試中出現異響的原因，均是主油泵入口管道內潤滑油流速未達到所需要求、造成主油泵內部出現空腔。具體分析如下：

（1）在2018 年裝置運行過程中，因裝置負荷增加，轉化爐鼓風機汽輪機轉速由8200 r/min 升高至8700 r/min，主油泵入口管道內潤滑油流速無法滿足轉速提升后的主油泵的需求，使主油泵出口管道也產生劇烈振動和異響。在此期間整個汽輪機控制油壓力與潤滑油壓力未發生波動，主要是因為主油泵出口管道上的自力式調節閥和緩沖罐起到了很好的穩壓作用。

（2）在2019 年4 月轉化爐鼓風機調試過程中，當汽輪機轉速上升至8350 r/min 時，主油泵出口管道產生強烈振動和異響，此時汽輪機的轉速高于極限工況下汽輪機的轉速，說明主油泵出口回流管調節閥有一定的開度，使入口管道內潤滑油流速有所提高，但依然無法達到主油泵所需流速。當開大出口回流調節閥開度時，主油泵的異響逐漸消失，出口管道振動也隨之消除。繼續提高汽輪機轉速至正常工況轉速8700 r/min 時，主油泵也未出現異響，這說明開大主油泵回流管調節閥，增大入口管道噴射器高速介質流量，有效提高了入口管道內潤滑油的流速，使其達到了主油泵所需的流速。

5 結束語

轉化爐鼓風機驅動汽輪機是年產80萬噸甲醇裝置的關鍵動設備，其主油泵在裝置運行過程中出現出口管道異響和振動，給整個裝置的安全穩定運行帶來巨大隱患，在油泵出口管道強烈振動下極易發生管道疲勞斷裂，造成整個裝置停車。因此，必須準確分析出故障產生的原因，對故障準確判斷，掌握現場設備重要調節點的作用，并以此為依據制定合理、可行的處理措施，才能從根本上解決問題、避免同類故障的發生。